نظرة على نظام خلايا الوقود "المحارب ذو الأداء العالي"

هذا يعني أن الصناعة باتت تمتلك إجابة أوضح على السؤال الجوهري: "ما هو نظام خلايا الوقود الجيد؟". ويُجيب نظام خلايا الوقود على هذا السؤال من خلال إجراءات عملية. وبالتركيز على سيناريوهين رئيسيين هما قطاع السيارات وتوليد الطاقة، قاد الدكتور هو جونبو الفريق التقني لتحسين تصميم وتطوير مؤشرات أساسية مثل استقرار النظام، وموثوقيته، واستهلاك الهيدروجين، ومعدل الأعطال، وعمره الافتراضي، وقدّم بذلك تحفتين فنيتين متميزتين للصناعة: نظام محرك السيارة ونظام تخزين طاقة الهيدروجين لتوليد الطاقة.

في مجال السيارات، أكملنا تطوير سلسلة من أنظمة محركات خلايا الوقود بنطاق طاقة يتراوح من 30 كيلوواط إلى 235 كيلوواط، والتي يمكن استخدامها على نطاق واسع في العديد من المركبات مثل سيارات الركاب، وحافلات المدينة، والشاحنات الخفيفة والمتوسطة والثقيلة، والرافعات الشوكية، والمقطورات، وآلات البناء، وما إلى ذلك.

منتجات محركات خلايا الوقود للسيارات (70 كيلوواط على اليسار، 235 كيلوواط على اليمين)

ومن بينها، قدمت 17 حافلة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين ومجهزة بأنظمة HYPSR-04 طراز 70 كيلو واط بيانات تشغيلية مثيرة للإعجاب مؤخرًا: فقد عملت هذه الحافلات الـ 17 بشكل مستمر لمدة عام ونصف تقريبًا في مقاطعة جياشان، مدينة جياشينغ، مقاطعة تشجيانغ، بمسافة إجمالية قدرها 800000 كيلومتر، ومتوسط ​​استهلاك للهيدروجين يبلغ 3.7 كجم/100 كم، وهو أقل بكثير من متوسط ​​الصناعة البالغ 5 كجم/100 كم، مما يُظهر مزايا كبيرة في مساعدة تحويل النقل العام في مدينة جياشان نحو توفير الطاقة وحماية البيئة.

حافلة مقاطعة جياشان

إلى جانب تكلفة الشراء، يُعدّ استهلاك الطاقة لكل 100 كيلومتر أحد أهم المؤشرات الاقتصادية للمركبة. ولتحقيق تسويق مركبات خلايا الوقود، فإنه بالإضافة إلى السعي المستمر لخفض التكاليف في جميع المراحل، من الضروري جدًا خفض تكلفة استخدام المركبة أثناء التشغيل وتقليل استهلاك الهيدروجين لتحسين كفاءة استهلاك الوقود. وتُثبت بيانات التشغيل لاستهلاك الهيدروجين المنخفض الأساس التقني المتين لنظام خلايا الوقود وتوافق طاقة المركبة.

إضافةً إلى ذلك، يُعدّ انخفاض معدل الأعطال ميزةً بارزةً أخرى لهذه الدفعة من الحافلات قيد التشغيل الفعلي. فنظام خلايا وقود الهيدروجين بقدرة 70 كيلوواط لا يلبي احتياجات التشغيل اليومي للحافلات فحسب، بل يوفر أيضًا طاقةً مستقرةً وفعّالةً في ظل الاستخدام طويل الأمد وعالي التردد، دون أعطال تُذكر، مما يُثبت قدرته على التكيف مع ظروف الطرق المعقدة والظروف المناخية المتغيرة.

يبلغ إجمالي المسافة المقطوعة 800 ألف كيلومتر، ويبلغ متوسط ​​الاستهلاك 3.7 كيلوغرام فقط لكل 100 كيلومتر. ويُعدّ التشغيل السلس في مختلف الظروف خير دليل على موثوقية وجدوى تقنية خلايا وقود الهيدروجين لدينا، كما يُبرز إمكاناتها الهائلة. ولتطبيق خلايا وقود الهيدروجين أثرٌ بالغٌ على مدينة جياشان وقطاع النقل العام برمته، ويُقدّم مرجعًا هامًا لمدن أخرى لتبنّي حافلات الطاقة النظيفة.

تواجه مركبات الطاقة الجديدة دائمًا تساؤلات حول استقرارها وموثوقيتها في المراحل الأولى من تطويرها، ومركبات خلايا وقود الهيدروجين ليست استثناءً. فكل دفعة من المركبات التي تطلقها شركات خلايا الوقود لا تخضع لاختبارات الأداء في السوق فحسب، بل تخضع أيضًا لثقة الحكومات المحلية والمشغلين في شركات خلايا الوقود، بل وفي القطاع بأكمله.

من أجل صنع منتجات يمكن للسوق أن يثق بها وضمان استقرار ومتانة نظام خلايا الوقود للسيارات، كرست شركة Liyuan Technology جهودًا استثنائية وحكمة في تصميم بنية النظام وآلية تشخيص الأعطال ومراقبة حالة التشغيل، مما يضمن تحسين كل حلقة، باستخدام قوة العلم والتكنولوجيا لبناء أساس الجودة، وجعل السلامة والموثوقية سمة مميزة للمنتج.

أشار الدكتور هو جونبو إلى أنه "لقد قمنا بتطوير إطار عمل لتشخيص الأعطال في نظام التحكم بالمحرك، والذي يمكنه تشخيص أنواع الأعطال الرئيسية بسرعة، مثل ضغط مسار الهواء غير الطبيعي، وفرق الضغط الزائد بين الهيدروجين والهواء، وضغط الهيدروجين غير الطبيعي، وانخفاض ضغط دائرة التبريد، وارتفاع درجة حرارة سائل التبريد، وانحشار صمام التصريف. كما أنشأنا آلية استجابة وقائية للأعطال التي قد تُسبب عواقب وخيمة لتجنب تلف مجموعة الاحتراق قدر الإمكان".

في الوقت نفسه، تم دمج كل نظام خلية وقود على متن المركبة مع وحدة TBOX (انظر الشكل أدناه)، والتي تراقب نظام التحكم وتنبّهه في الوقت الفعلي لأي تدهور في الأداء على المدى الطويل، ولديها استراتيجيات مناسبة لاستعادة النظام بعد حدوث العطل. كما يتيح نظام تحميل البيانات في الوقت الفعلي، القائم على وحدة TBOX، مراقبة حالة تشغيل نظام محرك خلية الوقود عن بُعد، واستكشاف الأعطال وإصلاحها عن بُعد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام مجموعة بيانات التشغيل المتنامية باستمرار لتحليل معلومات الأعطال واستخلاصها، وتحسين آلية التشخيص الذكي القائمة على البيانات بشكل مستمر.

نظام مراقبة المحطات الطرفية عن بعد TBOX

لا شك أن هذا "الوافد الجديد" لخلايا الوقود، بفضل استقراره العالي واستهلاكه المنخفض للهيدروجين وخصائص نظام خلايا الوقود المتينة، قد فتح الباب أمام سوق سيارات الهيدروجين التي تبلغ قيمتها تريليون دولار.

إلى جانب تطبيقات السيارات، تُعدّ تطبيقات توليد الطاقة الثابتة أحد سيناريوهات التطبيقات التي لا تزال قيد التطوير. ويتوقع معهد جي جي آي آي أن تصل القدرة المركبة التراكمية لتوليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود محلياً إلى 5 جيجاواط بحلول عام 2030، وأن يتجاوز حجم السوق الإضافي لأنظمة توليد الطاقة بخلايا الوقود 24 مليار يوان خلال الفترة من 2023 إلى 2030.

بالتركيز على الأداءات الرئيسية الأربعة المتمثلة في التنميط، والذكاء، والاستقرار والمتانة، والموثوقية، فقد دخلت أنظمة توليد الطاقة الثابتة بالفعل إلى سوق تخزين طاقة الهيدروجين.

تبلغ القدرة المقدرة لوحدة توليد الطاقة في الخزانة 100 كيلوواط، ويكون خرجها 380 فولت تيار متردد؛ وتبلغ القدرة المقدرة لوحدة الحاوية 1 ميجاواط، ويكون خرجها 10 كيلو فولت تيار متردد.

وحدة توليد الطاقة من نوع الخزانة (يسار)، وحدة توليد الطاقة من نوع الحاوية (يمين)

يمكن لوحدة توليد الطاقة العمل بشكل مستقل ودعم التوسع المتوازي متعدد الوحدات. وبالاقتران مع معدات المحولات ووحدات تخزين الطاقة، يمكنها تحقيق نشر مرن لتوليد الطاقة الموزعة بقدرة مرنة تتراوح من 100 كيلوواط إلى 100 ميغاواط. وتتميز هذه الوحدة بالإنتاج المعياري، والنقل المتكامل، وسهولة التركيب في الموقع.

ثانياً، يتمتع كل منتج من منتجات وحدة توليد الطاقة بوظائف تحكم مستقلة ومتسقة ذاتياً، مما يضمن ذكاء نظام توليد الطاقة بأكمله لتحقيق هدف تقليل استهلاك الهيدروجين وتخفيفه.

تحتوي الوحدة المُصممة على شكل حاوية على أربعة أنظمة خلايا وقود مدمجة. يستقبل مُتحكم الشبكة المصغرة الأوامر الخارجية ويرسل إشارات تحكم إلى كل نظام من أنظمة خلايا الوقود والعاكس. عند تشغيل وحدات متعددة بالتوازي، تنتقل بيانات تشغيل كل نظام من أنظمة خلايا الوقود إلى مستوى الوحدة، وتُربط بنظام إدارة الطاقة الذكي الشامل بسرعة عالية وفي الوقت الفعلي، لتحقيق جدولة مركزية قائمة على الحوسبة السحابية، بالإضافة إلى التشغيل والصيانة عن بُعد.

يُمكن لنظام إدارة الطاقة الذكي تحسين قدرة كل خلية وقود في الوقت الفعلي على مستوى المكدس، مما يُحسّن متوسط ​​كفاءة كل مكدس، ويُقلل من إجمالي استهلاك الهيدروجين في النظام، ويأخذ في الاعتبار معدل تقلبات الطاقة لتأخير تدهور أداء المكدس. على مستوى النظام، يتميز نظام إدارة الطاقة بوظيفة التكيف الذاتي لنمط استهلاك الطاقة، حيث يُمكنه مطابقة نمط توليد الطاقة الأمثل تلقائيًا وفقًا لخصائص استهلاك الطاقة لتجنب التشغيل والإيقاف المتكررين، وتغيرات الأحمال المتكررة، وغيرها من حالات الفقد العالي للطاقة.

ثالثًا، تتطلب تطبيقات توليد الطاقة الثابتة معايير عالية للغاية فيما يتعلق باستقرار ومتانة منتجات خلايا الوقود. وقد أجرت شركة لييوان للتكنولوجيا تحسينات شاملة بدءًا من المواد والمكونات وصولًا إلى مستوى النظام. فعلى سبيل المثال، من خلال اختيار المواد الخام الرئيسية مثل غشاء تبادل البروتونات (PEM) وطبقة نشر الغاز (GDL) والمحفز، بالإضافة إلى تحسين بنية مجموعة الأقطاب الغشائية (MEA)، طور فريق البحث والتطوير في مجال أقطاب الأغشية قطبًا غشائيًا بهيكل إطاري رباعي الطبقات، مما يوفر مجموعة الأقطاب الغشائية طويلة الأمد المطلوبة لمحطات الطاقة الثابتة. ومن خلال تحسين استراتيجيات استجابة النظام في ظل ظروف التشغيل المختلفة، مثل بدء التشغيل والإيقاف، والأحمال المتغيرة، والأحمال العالية والمنخفضة، يتم تجنب فقدان المواد مثل غشاء تبادل البروتونات والمحفز وطبقة نشر الغاز، مما يطيل عمر مجموعة الخلايا.

رابعاً، على مستوى تصميم النظام والتحكم فيه، يتم استخدام مجموعة متنوعة من الأساليب مجتمعة لتحسين موثوقية مجموعة خلايا الوقود.

تم تطوير طريقة تحكم منسقة لضاغط الهواء وصمام الضغط الخلفي لنظام إمداد الهواء، والتي يمكنها تحقيق فصل تدفق الهواء وضغط السحب، بحيث يمكن للاثنين الاستجابة لمتطلبات النظام بسرعة ودقة، ويمكنهما الحفاظ على متانة قوية عند تغير ظروف العمل والظروف البيئية بشكل كبير، مما يجنب بشكل فعال تلف المدخنة بسبب عدم كفاية إمدادات الهواء في ظل ظروف الحمل المتغيرة.

تم تطوير طريقة للتحكم في صمام التناسب لقاذف الهيدروجين + التحكم التكيفي ذو الحلقة المغلقة لنظام دوران الهيدروجين، والذي يطابق بدقة لحظة فتح صمام تفريغ الهيدروجين وتغير فتح الصمام النسبي، ويمكنه قمع تقلبات الضغط على جانبي قطب الغشاء بشكل فعال بسبب فتح صمام تفريغ الهيدروجين، مما يقلل بشكل كبير من خطر ثقب قطب الغشاء.

تم تصميم مراقب حالة لمحتوى الماء في الغشاء، والذي يقدر محتوى الماء السائل على جانبي الأنود والكاثود من المكدس بناءً على تقدير تدفق الهيدروجين في الأنود وفرق الضغط بين مدخل ومخرج مكدس الكاثود، ويتحكم في محتوى الماء في الغشاء في الوقت الحقيقي ضمن نطاق معقول عن طريق ضبط وقت فتح صمام تصريف الهيدروجين ونسبة الهواء الزائد، مما يقلل بشكل فعال من تكرار حالات فشل جفاف الغشاء وغمره.

واختتمت شركة ليوان للتكنولوجيا حديثها قائلة: "إن نظام توليد الطاقة بخلايا الوقود لدينا يتميز بالاستقرار والموثوقية، وهو مناسب لمحطات الطاقة الثابتة بمختلف أحجامها".

من المفهوم أنه في مشروع عرض الطاقة الذكية الخالية من الكربون في منطقة مصنع الشركة، فإن مشروع محطة الطاقة الذي يستخدم التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين + تقنية توليد الطاقة بخلايا الوقود يعمل بشكل مستقر، بكفاءة تحويل الكهرباء إلى هيدروجين إلى كهرباء تبلغ 35٪، وهو ما يمثل ميزة كفاءة واضحة في الصناعة.

على صعيد الصناعة، أُدرج تخزين الطاقة الهيدروجينية، باعتباره أحد أبرز تقنيات تخزين الطاقة طويلة الأمد، ضمن الدعم الرسمي لتخزين الطاقة الجديدة. ومع انخفاض تكاليف إنتاج الهيدروجين وتخزينه ونقله، يُتوقع تعزيز استخدام أجهزة توليد الطاقة الموزعة.

على الرغم من أن تطبيق توليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود لا يزال في مراحله الأولى من التطوير ويواجه العديد من الصعوبات والتحديات التي يجب التغلب عليها، إلا أنه كشركة رائدة في هذا المجال، فقد استكشفت بعمق سيناريوهات التطبيق برؤية مستقبلية وخطوات ثابتة، وتغلبت على الصعوبات التقنية واحدة تلو الأخرى، مما مهد طريقًا قويًا لتطوير تطبيقات توليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود.