پیل‌های سوختی به عنوان یکی از فناوری‌های مهم در حوزه تولید انرژی پاک، نقش قابل توجهی در سیستم‌های انرژی نوین، خودروهای الکتریکی، سامانه‌های تولید پراکنده و منابع تغذیه مستقل ایفا می‌کنند. در میان انواع مختلف پیل‌های سوختی، پیل سوختی غشای تبادل پروتون (Proton Exchange Membrane Fuel Cell یا PEMFC) به دلیل دمای کاری پایین، زمان راه‌اندازی سریع، چگالی توان مناسب و قابلیت استفاده در کاربردهای متحرک، یکی از پرکاربردترین فناوری‌ها محسوب می‌شود. در این شبیه‌سازی، یک مدل پیل سوختی PEM با توان نامی 6 کیلووات و ولتاژ خروجی 45 ولت DC بررسی شده است که انرژی تولیدی آن توسط یک مبدل DC/DC با مقدار متوسط ولتاژ خروجی 100 ولت DC به یک بار مقاومتی-سلفی منتقل می‌شود.

هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی رفتار دینامیکی یک استک پیل سوختی، نحوه تغییر ولتاژ و جریان خروجی، اثر تغییر نرخ مصرف سوخت هیدروژن، تغییرات بازدهی سیستم و عملکرد مبدل DC/DC در تنظیم ولتاژ باس DC است. این مدل در محیط Matlab و Simulink پیاده‌سازی شده و امکان تحلیل پارامترهای مختلف عملکردی پیل سوختی را فراهم می‌کند.

معرفی مدل پیل سوختی PEM با توان 6 کیلووات

در این شبیه‌سازی، مدل یک استک پیل سوختی PEM با ولتاژ نامی 45 ولت DC و توان خروجی 6 کیلووات استفاده شده است. پیل سوختی به عنوان منبع اصلی انرژی، خروجی DC تولید می‌کند، اما به دلیل تغییرات ولتاژ ناشی از شرایط کاری مختلف، اتصال مستقیم آن به بارهای الکتریکی امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل از یک مبدل DC/DC استفاده شده است تا ولتاژ خروجی پیل سوختی را به سطح مناسب برای تغذیه بار افزایش داده و تثبیت کند.

مبدل DC/DC در این سیستم وظیفه دارد ولتاژ خروجی را روی مقدار متوسط 100 ولت DC تنظیم کند. بار متصل به خروجی مبدل شامل یک المان RL با توان مصرفی 6 کیلووات است. ثابت زمانی این بار برابر با 1 ثانیه در نظر گرفته شده است که باعث ایجاد رفتار دینامیکی در جریان مصرفی سیستم می‌شود.

ساختار کلی شبیه‌سازی

ساختار کلی این شبیه‌سازی شامل سه بخش اصلی است: مدل پیل سوختی PEM، مبدل DC/DC و بار الکتریکی. پیل سوختی وظیفه تولید انرژی الکتریکی را بر عهده دارد، مبدل DC/DC سطح ولتاژ را تنظیم می‌کند و بار RL رفتار مصرف‌کننده انرژی را نشان می‌دهد.

در مدل پیل سوختی، پارامترهایی مانند ولتاژ خروجی استک، جریان تولیدی، نرخ مصرف هیدروژن، میزان استفاده از هیدروژن و اکسیژن، مصرف سوخت و بازدهی سیستم قابل اندازه‌گیری هستند. این اطلاعات برای تحلیل عملکرد پیل سوختی و بررسی تأثیر شرایط کاری مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شرایط اولیه شبیه‌سازی

در 10 ثانیه ابتدایی شبیه‌سازی، نرخ استفاده از هیدروژن روی مقدار نامی 99.56 درصد تنظیم شده است. برای حفظ این مقدار، یک کنترل‌کننده نرخ جریان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کنترل‌کننده میزان جریان هیدروژن ورودی را تغییر می‌دهد تا مصرف سوخت با مقدار مورد نیاز سیستم هماهنگ شود.

در لحظه شروع شبیه‌سازی، مبدل DC/DC ولتاژ 100 ولت DC را به بار RL اعمال می‌کند. در این لحظه جریان اولیه بار برابر صفر است، زیرا سیستم هنوز در شرایط گذرا قرار دارد. با گذشت زمان، جریان بار افزایش یافته و به مقدار حدود 133 آمپر می‌رسد.

یکی از نکات مهم در این مرحله، عملکرد مناسب مبدل DC/DC در تنظیم ولتاژ خروجی است. مطابق نتایج شبیه‌سازی، ولتاژ باس DC به خوبی در مقدار تنظیم‌شده تثبیت می‌شود. تنها در ابتدای راه‌اندازی، یک افزایش لحظه‌ای ولتاژ تا حدود 122 ولت مشاهده می‌شود که دلیل آن رفتار گذرای کنترل‌کننده ولتاژ در زمان شروع کار سیستم است.

بررسی تغییر نرخ جریان سوخت هیدروژن

پس از گذشت 10 ثانیه، شرایط کاری پیل سوختی تغییر داده می‌شود. در این مرحله کنترل‌کننده نرخ جریان سوخت کنار گذاشته شده و مقدار جریان هیدروژن ورودی به صورت مستقیم افزایش می‌یابد. نرخ جریان سوخت از مقدار 50 لیتر بر دقیقه (lpm) به مقدار حداکثر 85 لیتر بر دقیقه افزایش پیدا می‌کند.

افزایش جریان سوخت در مدت زمان حدود 3.5 ثانیه باعث کاهش میزان استفاده از هیدروژن می‌شود. این تغییر شرایط باعث افزایش ولتاژ نرنست (Nernst Voltage) در مدل پیل سوختی شده و در نتیجه رفتار الکتریکی استک تغییر می‌کند.

با افزایش ولتاژ داخلی پیل سوختی، جریان خروجی استک کاهش پیدا می‌کند. این کاهش جریان باعث کاهش مصرف سوخت و تغییر بازدهی سیستم می‌شود. بنابراین تغییر نرخ جریان هیدروژن نه تنها بر عملکرد الکتریکی پیل سوختی تأثیر می‌گذارد، بلکه پارامترهای اقتصادی و مصرف انرژی سیستم را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد.

اندازه‌گیری پارامترهای سیستم

در این شبیه‌سازی چندین سیگنال مهم برای تحلیل عملکرد سیستم در نظر گرفته شده است. سیگنال‌های مربوط به ولتاژ و جریان پیل سوختی، ولتاژ و جریان خروجی مبدل DC/DC در Scope2 نمایش داده می‌شوند. این اطلاعات امکان بررسی عملکرد الکتریکی سیستم و کیفیت تنظیم ولتاژ خروجی را فراهم می‌کنند.

همچنین در Scope1 پارامترهای مرتبط با مصرف سوخت و عملکرد شیمیایی پیل سوختی نمایش داده می‌شوند. این پارامترها شامل نرخ جریان سوخت، میزان استفاده از هیدروژن و اکسیژن، مصرف سوخت، مصرف هوا و بازدهی کلی استک هستند.

تحلیل هم‌زمان این پارامترها کمک می‌کند تا ارتباط بین رفتار الکتریکی و فرآیندهای شیمیایی داخل پیل سوختی بهتر درک شود. برای مثال، افزایش بیش از حد جریان سوخت ممکن است باعث کاهش استفاده از هیدروژن و تغییر بازده سیستم شود.

مدل دقیق و مدل ساده‌شده پیل سوختی

در محیط Matlab امکان استفاده از دو سطح مدل‌سازی برای پیل سوختی وجود دارد. در مدل دقیق، تمامی پارامترهای مربوط به فرآیندهای داخلی پیل سوختی، مصرف سوخت، میزان استفاده از واکنش‌دهنده‌ها و بازدهی قابل بررسی هستند. این مدل برای مطالعات تحقیقاتی و تحلیل‌های دقیق دینامیکی مناسب است.

در مقابل، یک مدل ساده‌شده نیز وجود دارد که تنها بر اساس منحنی‌های ولتاژ-جریان (V-I Curve) عمل می‌کند. در این حالت تعداد پارامترهای مورد نیاز کاهش پیدا می‌کند و سرعت شبیه‌سازی افزایش می‌یابد. با این حال، در مدل ساده‌شده امکان بررسی تغییرات نرخ جریان سوخت، میزان استفاده از هیدروژن و اکسیژن، مصرف استک و بازدهی وجود ندارد.

امکان بررسی سیگنال‌های مختلف در شبیه‌سازی

یکی از قابلیت‌های مهم این مدل، امکان مشاهده و تغییر چندین سیگنال مختلف در محیط Simulink است. با فعال‌سازی گزینه مربوط به تغییر سیگنال‌ها در تنظیمات مدل، می‌توان بیش از هفت سیگنال مختلف را بررسی کرد. این قابلیت برای تحلیل حساسیت سیستم و بررسی اثر تغییر پارامترهای ورودی بسیار مفید است.

کاربردهای مدل‌سازی پیل سوختی در Matlab

مدل‌سازی پیل‌های سوختی در Matlab کاربردهای گسترده‌ای در طراحی سیستم‌های انرژی دارد. از این مدل‌ها می‌توان برای طراحی سیستم‌های تغذیه خودروهای پیل سوختی، سیستم‌های تولید انرژی هیبریدی، ریزشبکه‌ها، منابع تغذیه اضطراری و سامانه‌های ذخیره انرژی استفاده کرد.

همچنین استفاده از شبیه‌سازی پیش از ساخت نمونه عملی باعث کاهش هزینه‌های آزمایشگاهی و افزایش دقت طراحی می‌شود. مهندسان می‌توانند با تغییر پارامترهای مختلف، عملکرد سیستم را بررسی کرده و بهترین شرایط کاری را برای افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت پیدا کنند.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، عملکرد یک استک پیل سوختی PEM با توان 6 کیلووات و ولتاژ نامی 45 ولت DC بررسی شد. سیستم شامل پیل سوختی، مبدل DC/DC و بار RL بوده و رفتار آن در شرایط مختلف نرخ جریان سوخت تحلیل شد. نتایج نشان داد که مبدل DC/DC قادر است ولتاژ خروجی را به خوبی تنظیم کند و تغییرات نرخ جریان هیدروژن تأثیر مستقیمی بر ولتاژ، جریان، مصرف سوخت و بازدهی پیل سوختی دارد.

این شبیه‌سازی نمونه‌ای مناسب برای مطالعه رفتار دینامیکی پیل‌های سوختی PEM و بررسی ارتباط میان فرآیندهای الکتروشیمیایی و عملکرد الکتریکی سیستم است. استفاده از Matlab و Simulink امکان تحلیل دقیق، طراحی کنترل‌کننده‌ها و بهینه‌سازی سیستم‌های مبتنی بر پیل سوختی را فراهم می‌کند.