المنحنيات المميزة لخلايا الوقود

المنحنيات المميزة لخلايا الوقود Characteristics of Fuel Cells

الاعتبارات الأساسية لرسم منحنيات خلايا الوقود:

الطريقة الأكثر شيوعاً لقياس محددات خلايا الوقود هو رسم منحني الأستقطاب polarization curve لها , وهو عبارة عن منحني بين فرق الجهد و كثافة التيار .حيث يتم الاعتماد غالبا على منحني( تيار- توتر) لمقارنة كفاءة خلايا الوقود مع غيرها من الأنظمة . يظهر منحني الأستقطاب لخلايا الوقود العلاقة بين التوتر والتيار بالاعتماد على ظروف التشغيل مثل درجة الحرارة, الرطوبة, الحمل المطبق , ونسبة تدفق الوقود والمؤكسد. الشكل التالي يمثل منحني الاستقطاب لخلية وقود ذات غشاء التبادل البروتوني .

منحني الأداء لخلية الوقود

من الشكل السابق نجد ان منحني الاستقطاب يمكن ان يقسم الى ثلاثة مناطق:

اولاً: منطقةبدءالتفاعلاتActivation overpotential region: المفاقيد في هذه المرحلة ناتجة عن الطاقة التي يحتاجها المحفز لبدء التفاعلات ,ففي البداية يكون التفاعل بطيء جداً بتوليد التيار الكهربائي, تفاعلات الأكسجين الكيميائية هي المسبب الرئيسي لضياعات بدء التفاعلات .

ثانياً: المنطقة الأومية Ohmic overpotential region: مع زيادة التيار المتولد تبدأ ضياعات بدء التفاعلات بالأنخفاض وتزداد الضياعات الأومية ,المفاقيد الأومية ناجمة عن مرور التيار عبر المقاومة الداخلية للوسيط والقطبين والتوصيلات المختلفة في الخلية .

ثالثاً: منطقة انتقال الغازات  أو منطقة التركيز Concentration overpotential region: الضياعات في هذه المنطقة ناجمة عن إعاقة وصول غازات الهيدروجين والأكسجين إلى الأقطاب.

أفضل آداء لخلايا الوقود هو عند عملها في الحالة المثالية حيث يحسب التوتر الذي تولده الخلية الوقودية بواسطة معادلات ترموديناميكية Thermodynamics. التوتر الكهربائي الصافي الذي تعطيه خلية الوقود يحسب رياضياً من العلاقة التالية :

حيث أن :

Vrev : reversible voltage هو التوتر الأعظمي للخلية Vrev= Er .

Virrev : Irreversible هو التوتر الناتج عن الضياعات التي سبق ذكرها .

التوتر العملي لخلية الوقود اقل من التوتر المثالي بسبب مفاقيد بدء التفاعلات ومفاقيد انتقال الغازات .

و بالتالي هناك اعتباران هامان يجب أن يؤخذان بعين الاعتبار عند رسم المنحنيات المميزة لخلايا الوقود الفعلية و هما :

  • توتر الدارة المفتوحة Vo هو أصغر دائماً من Vrev.
  • توتر الحمل VL يتناقص و ذلك عند زيادة تيار الحمل IL .

التمثيل الرياضي لمعادلة منحني خلية الوقود :

يمكن تمثيل المنحنيات المميزة (توتر- تيار) (V-I) لخلايا الوقود رياضياً وفق المعادلة التالية :

  • VL: توتر الحمل اللازم تأمينه .
  • IL.Rint: التوتر الضائع بسبب وجود المقاومة الداخلية  Rint.
  • Vact: توتر التفاعل activation voltage وهو التوتر المتعلق بالتيار  ILالمطلوب تأمينه لإعادة تشكيل توتر الحمل الفعلي .

أي أنه لتحديد علاقة توتر الحمل VL بشدة التيار الكهربائي IL فلا بد من تعيين قيم المقاومة الداخلية Rint و علاقة توتر التفاعل Vact بشدة التيار  IL.

إن توتر التفاعل Vact يرتبط مع شدة التيار IL وفق علاقة لوغاريتمية تعطى بالعلاقة :

حيث V2, Io هي ثوابت تُحدَد من المنحنيات المميزة .

بالعودة إلى معادلة تمثيل المنحني المميز لخلايا الوقود فإن ميل المنحني لا يمثل بشكل فعلي قيمة المقاومة, بل فعلياً هو :

و يعمد صانعو خلايا الوقود على أن تعمل الخلايا وفق منحنياتها المميزة في المجال التي تكون علاقة التوتر بالتيار هي علاقة خطية .

يمكن تمثيل المستقيم في المجال الأومي للمميزة في الشكل السابق بالمعادلة التقريبية التالية :

حيث :

J : كثافة التيار لكل 2 mمن مساحة الإلكترود [A/m2]

I : التيار [A].

A : مساحة الإلكترود الفعالة [m2].

تمثيل الدارة المكافئة (equivalent cycle) لخلية الوقود:

بما أن V2/IL<<Rint بالتالي يمكن تمثيل دارة خلية الوقود بالشكل التالي و التي تدعى بالدارة المكافئة :

الدارة المكافئة لخلية الوقود ذات خطوط مستقيمة لمنحنياتها المميزة

من الدارة المكافئة و حسب قانون كيرشوف الثاني يمكن الحصول على المعادلة السابقة :

التمثيل العملي لخلايا الوقود:

ولكن في الواقع العملي فإن المنحنيات المميزة لخلايا الوقود تسلك سلوكاً لا خطياً و ذلك عند تضمين ضياعات التفاعل أثناء الحسابات فبتعويض العلاقاتة السابقة بمعادلة المنحني المميز  نحصل على العلاقة :

يصبح المنحني المميز لمعظم خلايا الوقود كما في الشكل:

المنحني المميز العام لخلايا الوقود

المصادر:

1 – Renewable Energy Science Education Manual _by Collen Spiegel_2009

2 – نظم التوليد الموزعة_منشورات جامعة دمشق_الدكتور علي حمزة_2010

عن الكاتب

م.لمى الفخري

Homepage Twitter Google+
م.لمى الفخري
باحثة ومهندسة في مجال الطاقات المتجددة تخرجت من جامعة دمشق عام 2010 وتقوم حاليا بالتحضير لرسالة الماجستير شاركت في عدة مؤتمرات وورش عمل عن الطاقات المتجددة وتقنياتها كان أبرزها: مؤتمر عن كفاءة الطاقة والطاقات المتجددة ضمن اطار الأسبوع البيئي السوري اﻷلماني الخامس 2010. وشاركت بورشة عمل عن تركيب ألواح الخلايا الشمسية تم فيها تركيب محطة خلايا شمسية باستطاعة 9 كيلووات في المنطقة الصناعية "الشيخ نجار". صفحة الكاتب

م.محمد نور زوكار

Homepage Twitter Google+
م.محمد نور زوكار
مهندس طاقة كهربائية اختصاص طاقات متجددة، تخرج سنة 2010 وحاليا يقوم باتمام دراسته للماجستير في هندسة الطاقات المتجددة. شارك في عدة مؤتمرات وورش عمل عن الطاقات المتجددة وتقنياتها كان أبرزها: مؤتمر عن كفاءة الطاقة والطاقات المتجددة ضمن اطار الأسبوع البيئي السوري اﻷلماني الخامس 2010. كما شارك بورشة عمل عن تركيب ألواح الخلايا الشمسية تم فيها تركيب محطة خلايا شمسية باستطاعة 9 كيلووات في المنطقة الصناعية "الشيخ نجار". صفحة الكاتب

م.اسامة الفاضل

م.اسامة الفاضل
مهندس طاقة كهربائية باختصاص طاقات متجددة خريج عام 2010، وفي صدد اكمال رسالة ماجستير في هندسة الطاقات المتجددة. يعمل في مجال الخلايا الكهروضوئية، شارك في عدد من المؤتمرات منها الأسبوع السوري الألماني الخامس والمؤتمر السوري الفرنسي، كما شارك بورشة عمل لتركيب محطة كهروضوئية مربوطة مع الشبكة باستطاعة 9 كيلو واط على مبنى الشيخ نجار في المدينة الصناعية بحلب. والتحق بعدد من الدورات التدريبة منها دورة لشركة Shell لادارة المشاريع الصغيرة. صفحة الكاتب
لا يوجد تعليقات - أضف تعليق

أضف تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

بإمكانك استخدام وسوم و صفات HTML : <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

تابعنا
FacebookGooglePlusLinkedInTwitterRSS
النشرة البريدية

اشترك بالنشرة البريدية للرسائل الإخبارية:

شارك
استفتاءات

كيف وجدت التصميم الجديد للموقع ؟

View Results

Loading ... Loading ...