Fuel Cell System Design

Desain sistem sel bahan bakar berkisar dari sangat sederhana hingga sangat kompleks tergantung pada aplikasi sel bahan bakar dan efisiensi sistem yang diinginkan. Sistem sel bahan bakar bisa sangat efisien hanya dengan tumpukan sel bahan bakar dan beberapa komponen keseimbangan pabrik lainnya atau mungkin memerlukan banyak komponen luar untuk mengoptimalkan kinerja sel bahan bakar. Katalis sel bahan bakar, membran, dan pelat bidang aliran adalah bidang yang sangat penting untuk peningkatan sel bahan bakar, tetapi optimalisasi tumpukan juga sama pentingnya. Posting ini berfokus pada pemilihan dan perancangan subsistem bahan bakar dan listrik.

Gambar 1: Sistem sel bahan bakar PEM sederhana

Berikut ini adalah penjelasan singkat tentang komponen sistem sel bahan bakar yang ditunjukkan pada Gambar 1:

• Aliran Udara Oksidan: Udara oksidan disaring untuk partikulat karena dipompa ke dalam sel bahan bakar dari atmosfer. Transduser tekanan udara melacak tekanan udara yang masuk ke sel bahan bakar. Udara oksidan disaring lagi untuk partikulat, dan kemudian dilembabkan sebelum memasuki tumpukan sel bahan bakar.

• Aliran Hidrogen: Hidrogen murni disimpan dalam tabung gas terkompresi. Mungkin ada satu atau lebih katup periksa sebelum hidrogen memasuki sistem. Pengontrol aliran massa juga akan bermanfaat untuk memantau laju aliran.

• Air dan Hidrogen Keluar: Hidrogen keluar dari tumpukan sel bahan bakar dengan melalui filter partikel. Transduser tekanan mencatat tekanan aliran ini sebelum dibersihkan. Air dibersihkan melalui lubang air produk eksternal.

Sistem sel bahan bakar dapat dengan mudah menjadi kompleks ketika tumpukan besar, dan suhu, tekanan, air, dan panas dipantau dan / atau membutuhkan unit pemrosesan bahan bakar. Hanya beberapa sensor dan transduser tekanan yang termasuk dalam Gambar 1. Sistem kontrol yang dikembangkan sepenuhnya akan terdiri dari termokopel, transduser tekanan, sensor metanol / hidrogen, dan pengontrol aliran massa, yang akan mengukur dan mengendalikan data menggunakan program akuisisi data.
Subsistem Bahan Bakar

Subsistem bahan bakar sangat penting karena reaktan perlu bergerak di sekitar pabrik sel bahan bakar untuk ditekan, didinginkan, dipanaskan, dilembabkan dan akhirnya dikirim ke sel bahan bakar. Untuk menyelesaikan tugas-tugas ini, komponen tanaman seperti blower, kompresor, pompa, dan sistem pelembab harus digunakan. Komponen pabrik lainnya, seperti turbin juga berguna karena dapat memanfaatkan energi dari gas buang yang dipanaskan dari sel bahan bakar.

Sistem Humidifikasi

Dalam sistem PEMFC, humidifier untuk aliran masuk gas hidrogen mungkin diperlukan untuk mencegah PEM sel bahan bakar mengalami dehidrasi karena beban. Pengelolaan air adalah tantangan dalam sel bahan bakar PEM karena ada pemanasan ohm di bawah aliran arus tinggi, yang akan mengeringkan membran polimer dan transportasi ionik lambat. Tumpukan yang tidak beroperasi di dekat daya maksimum secara terus-menerus, mungkin tidak memerlukan pelembapan apa pun, atau tumpukan mungkin dapat melembabkan diri. Dalam sistem sel bahan bakar yang lebih besar, udara atau hidrogen atau udara dan hidrogen harus dilembabkan di lubang masuk bahan bakar. Gas-gas dapat dilembabkan dengan menggelembungkan gas melalui air (pelembapan titik embun), injeksi air atau uap, pertukaran air dan panas melalui media yang permeabel air atau melalui banyak metode lainnya.
Fans dan Blower

Cara ekonomis untuk mendinginkan sel bahan bakar atau menyediakan udara ke sel bahan bakar adalah dengan menggunakan kipas atau blower. Saat menggunakan kipas atau blower, knalpot sel bahan bakar terbuka untuk lingkungan. Kipas atau blower digerakkan oleh motor listrik, yang membutuhkan daya dari sel bahan bakar atau sumber lain untuk berjalan. Salah satu kipas yang biasa digunakan adalah kipas aksial, yang efektif dalam menggerakkan udara di atas bagian-bagian; Namun, itu tidak efektif melintasi perbedaan tekanan besar.
Kompresor

Mengompresi input udara meningkatkan konsentrasi oksigen per volume per waktu, dan karenanya, meningkatkan efisiensi sel bahan bakar. Ini berarti bahwa tumpukan sel bahan bakar yang lebih kecil dan lebih ringan dapat digunakan. Selain itu, drop-off pada tegangan akan tertunda oleh masalah transportasi massal tertunda hingga kepadatan arus yang lebih tinggi. Jika tekanan lebih tinggi, laju aliran volumetrik yang lebih rendah dapat digunakan untuk laju aliran molar yang sama. Humidifikasi juga lebih mudah karena lebih sedikit air yang dibutuhkan untuk saturasi (per mol udara). Desain aliran-bidang kurang membatasi karena penurunan tekanan yang lebih besar dapat ditoleransi di bidang aliran. Kompresor (seperti kipas atau blower) digerakkan oleh motor listrik, yang memang membutuhkan daya dari sel bahan bakar atau sumber lain untuk dijalankan.
Turbin

Dalam sistem sel bahan bakar bertekanan, gas outlet biasanya hangat dan bertekanan (meskipun lebih rendah dari tekanan saluran masuk). Gas panas dari sel bahan bakar ini dapat diubah menjadi kerja mekanis melalui penggunaan turbin. Energi ini dapat digunakan untuk menghasilkan pekerjaan yang dapat mengimbangi pekerjaan yang diperlukan untuk mengompres udara. Efisiensi turbin menentukan apakah harus dimasukkan ke dalam sistem sel bahan bakar.