پایان نامه شبیه سازی و کنترل یک سیستم تولید توان ترکیبی پیل سوختیباطری ابر خازن به منظور تغذیه یک موتور الکتریکی جریان مستقیم

پایان ‌نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق قدرت

چکیده

در این پایان نامه یک سیستم ترکیبی تولید توان با استفاده از پیل سوختی/باتری/ابرخازن برای تغذیه یک خودوری برقی سبک با سیستم درایو موتور الکتریکی تحریک مستقل مورد مطالعه و شبیه سازی قرار گرفت. سیستم خودروی برقی از یک سیستم پیش خور و کنترلی، منابع چندگانه، واحد کنترل قدرت و سیستم مدیریت انرژی، ماشین DC تحریک مستقل و بار خودروی برقی تشکیل شده است. مرجع سرعت سیستم مطابق درایو ECE-47 انتخاب شده است. بعبارتی یک مدل شامل چند منبع انرژی، مبتنی بر قواعد منطقی، الگوریتم کنترلی و سیستم ذخیره انرژی برای یک خودروی برقی سه چرخ سبک ارائه گردیده است. ویژگی اصلی خودروی برقی سبک از استراتژی کنترلی آن نشات می گیرد که سیستم مدیریت انرژی را برای باتری، پیل سوختی و ابرخازن تحت بار های مختلف پشتیبانی می کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم کنترلی می تواند بصورت کاملاً برنامه ریزی شده، سیستم چند منبعی را مدیریت کند. کاربرد مهم سیستم مدیریت انرژی، مصالحه بین ذخیره سازی سوخت به همراه یک رانندگی پاک و همچنین کمک به موتور و باتری از نظر هزینه است. در این پایان نامه در سیستم کنترل قدرت از کنترلرهای تناسبی-انتگرالی استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان داده است که استفاده از کنترلرهای فازی در مقابل کنترلرهای بهره ثابت تناسبی-انتگرالی، قابلیت سیستم مورد مطالعه را در پیگیری سرعت مرجع بیشتر افزایش می دهد. کنترلرهای فازی نسبت به کنترلرهای تناسبی-انتگرالی که در مقابل نوسانات سرعت پارامترهای آن ها ثابت می باشد، پارامترهای خود را به روز کرده که به این کنترلرها خودتنظیم گفته می شود. بنابراین در برابر تغییرات سرعت عملکرد بهتری از خود نشان می دهند.

کلمات کلیدی: سیستم ترکیبی تولید توان، باتری، پیل سوختی، ابر خازن، الگوریتم کنترلی سیستم مدیریت انرژی، کنترلر فازی

مقدمه

صنعت حمل و نقل و ترابری جز صنایعی است که همیشه مورد توجه متخصصین و صنعتگران می باشد. دانشمندان همیشه در این تلاش بوده اند تا خودروهایی تولید کنند که نسبت به خودروهای معمولی، عملکرد بهتر، مصرف سوخت پایین تر  و آلودگی کمتری داشته باشند. در این راستا تلاش قابل توجهی در جهت ارتقای کیفیت سوخت های مصرفی در خودرو ها از بنزینی به صورت های دیگر انجام پذیرفته است. بعنوان مثال تحقیقات گسترده ای در مورد سوخت های هیدروژنی و پیل های سوختی[1] انجام شده است. اما به دلیل هزینه تولید بالا و همچنین مشکلات ناشی از ماهیت این نوع سوخت ها (اشتعال پذیری بالا و شرایط ذخیره سازی دشوار) مصرف آن ها بصورت فراگیر امکانپذیر نشده است ]1[.

امروزه استفاده از خودروهای الکتریکی که در آن ها موتور الکتریکی به تنهایی نیروی پیشران را تولید می کند مرسوم نشده است. اولین عامل هزینه بسیار بالای تولید این خودروها می باشد که باعث افزایش قیمت آن ها می گردد. علاوه بر این این خودروها به ازای هر بار شارژ شدن مسافت کمی را طی می کنند. از طرف دیگر مدت زمان لازم برای شارژ باطری در این خودروها بسیار زیاد است که استفاده از این خودرو ها را نسبت به خودروهای احتراقی محدود نموده است ]1[.

بر طبق آمار بدست آمده در سال 1980، حدود 30 در صد از کل آلودگی کربنی تولید شده در ایالات متحده در اثر استفاده از موتورهای احتراقی[2] بوده که این میزان در سال 2000 به 40 درصد افزایش پیدا کرده است. یک موتور احتراقی معمولا در بهترین شرایط، بازدهی در حدود 32 درصد دارد. در حالت عادی، بازده موتور احتراقی معمولی در شهر حدود 18 درصد و در بزرگراه ها حدود 26 درصد است ]2[. یکی از راهکارهایی که برای بالا بردن بازده موتورهای احتراقی بکار میرود پایین آوردن مصرف سوخت آن ها می باشد. به این صورت آلودگی خودروها را نیز می توان کاهش داد.

از معایب خودروهای احتراقی می توان به موارد زیر اشاره کرد ]2[:

اندازه موتور احتراقی بگونه ای است که بتوانند قدرت لازم جهت شتاب گیری مطلوب را برای خودرو فراهم کنند. لذا این موتورها معمولا حجیم و سنگین هستند.

راندمان حرارتی این موتورها بستگی زیادی به نقطه کار آن ها دارد و دائما در طول حرکت اتومبیل بسته به شرایط تغییر می کند. بعلاوه چون این موتورها باید بگونه ای طراحی شوند که پاسخگوی نیاز خودرو در هنگام شتاب گیری باشند، در مواقع عادی راندمان بسیار پایینی دارند.

کل انرژی جنبشی خودرو در هنگام ترمز گیری به گرما تبدیل شده و به هدر می رود.

با بررسی انجام شده توسط پژوهشگران متوجه این مساله شده اند که استفاده از خودرو های هیبرید الکتریکی می تواند پاسخگوی مطالب بیان شده باشد. خودروی هیبرید[3] به خودرویی گفته می شود که برای تولید قدرت از دو یا چند منبع تولید کننده انرژی و مبدل انرژی بهره می برد. امروزه استفاده از منابع انرژی نو در خودروهای هیبرید با استقبال چشمگیری روبرو شده است. معمول ترین منبع انرژی نو که در این خودروها بکار میرود، پیل سوختی می باشد. همچنین از باطری نیز در این خودروها استفاده می شود. با بکارگیری خودروهای هیبرید امکان استفاده از قابلیت های هر دو نوع خودروی احتراقی و الکتریکی فراهم می گردد. بنابراین با استفاده از خودروهای هیبرید آلودگی زیست محیطی کاهش می یابد همچنین قدرت شتاب گیری ماشین تقویت می شود ]3[. با توجه به استفاده از دو منبع اصلی پیل سوختی و کمکی باطری، کنترل این دو منبع مساله ای پیچیده می باشد. با کنترل این دو منبع می توان میزان مصرف سوخت خودرو، سطح آلودگی تولید شده و همجنین میزان شارژ باطری ها را تعیین نمود.

با توجه به مطالب مطرح شده، هدف استفاده از خودروهای هیبرید این است که از مزایای هر دو موتور احتراقی و الکتریکی استفاده شده و معایب آن ها نیز مرتفع گردد. برخی از نقاط ضعف موتورهای احتراقی در زیر ارائه شده است ]2[.

با بکارگیری سیستم رانش الکتریکی در کنار سیستم رانش احتراقی، بخش عمده ای از توان خودرو در مواقع شتاب گیری و شیب پیمایی توسط سیستم الکتریکی تامین می شود. بنابراین اندازه موتور احتراقی کاهش می یابد.

شرایط کاری موتور احتراقی بطور کامل یا جزیی از شرایط کاری خودرو نظیر سرعت، شتاب، گشتاور و توان می باشد و در نتیجه موتور احتراقی در اکثر موارد در محدوده راندمان حداکثر خودش کار می کند.

در هنگام ترمز گیری، موتور الکتریکی بصورت ژنراتور عمل کرده و انرژی جنبشی خودرو را تا اندازه زیاد بازیافت می کند. این انرژی در هنگام شتاب گیری مجددا به خودرو برگردانده می شود.

با توجه به خودروهای هیبریدی در سال های اخیر مطالعات بسیاری درباره طراحی و ساخت این نوع از خودروها انجام شده است.

1-2 ساختارهای نوین در خودرو

یکی از مسائل مهم در استفاده از خودروهای با موتور احتراقی، آلودگی محیط زیست می باشد. استفاده از خودروهای احتراقی باعث آسیب های جدی محیط زیست و در نتیجه آن برای بشر شده است. ارتباط تنگاتنگی بین آلودگی محیط زیست بویژه در مناطق شهری با نحوه عملکرد خودروها وجود دارد. با بررسی انواع آلودگی های ناشی از خودروها و اثرات هر یک از آنها در آسیب رساندن به محیط زیست، استانداردها و حدود مشخصی برای هر یک از آلاینده ها تعیین کرده اند. هیدروکربن ها، اکسیدهای نیتروژن، منوکسید کربن و ذرات معلق مهمترین پارامترهایی هستند که در تمامی استانداردهای مطرح شده مورد توجه قرار گرفته اند. دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد از محصولات ناشی از احتراق سوخت های فسیلی در موتورهای احتراق داخلی می باشند ]4[.

با توجه به روند رو به کاهش سوخت های فسیلی و نوسان های شدید بازار نفت، تحول در فن آوریهای معمول مورد استفاده در صنعت خودرو امری ضروری بنظر می رسد. همچنین مصرف انرژی هر روز در حال افزایش است که این افزایش را می توان در کاهش مقدار ذخایر نفت در انبار های کشورهای صنعتی و قیمت جهانی نفت ملاحظه کرد. از طرفی تعداد خودروهای در حال استفاده روز به روز در حال افزایش است. بنابراین با توجه به مباحث مطرح شده منابع موجود قادر به تامین نیازهای انرژی جامعه بشری نمی باشد.

تا به اینجا برخی از مشکلات استفاده از خودروهای احتراقی مطرح گردید. بنابراین بایستی برای غلبه بر مشکلات ذکر شده خودرو های با مصرف سوخت  و آلودگی کمتر  را بکار گرفت.

1-3 تاریخچه خودروهای هیبریدی

در سال 1898 دکتر پورشه[4] مهندس آلمانی اولین خودروی الکتریکی را ساخت. این خودرو فقط با باطری قابلیت طی مسافت 40 مایل را داشت. در سال 1903 میلادی یک خودروی بنزینی-الکتریکی بوسیله شرکت انگلیسی کریگر[5] طراحی و ساخته شد. در سال 1905 یک خودروی هیبرید توسط یک مهندس آمریکایی به نام پایپر[6] ساخته شد. در این خودرو، از موتور الکتریکی به عنوان یک موتور کمکی استفاده شد زیرا موتورهای بنزینی آن زمان دارای قدرت بالایی نبودند. خودروی ساخته شده در مدت زمان 10 ثانیه قادر بود سرعت خود را از صفر به 40 کیلو متر در ساعت برساند. پس از آن در سال 1964 میلادی شرکت گالت موتور کانادایی، یک خودرو هیبرید جدید کم مصرف را وارد بازار کرد. این خودرو دارای یک موتور احتراقی دو زمانه کوچکی بود که با دو پیستون، توانی برابر 10 اسب بخار تولید می کرد. محور خروجی موتور احتراقی در این خودرو به یک ژنراتور وصل شده بود که دارای دو خروجی بود. یکی از خروجی ها به موتور الکتریکی و دیگری به باطری متصل بود و موتور الکتریکی نیز مستقیما به دیفرانسیل وصل می شد. این خودرو فقط با مصرف 4 لیتر بنزین قادر بود مسافت 110 کیلومتر را با سرعت 50 کیلو متر در ساعت طی کند. به تدریج با افزایش قدرت موتورهای احتراقی و عدم نیاز به موتور الکتریکی بعنوان کمکی، ایده خودروهای هیبرید به فراموشی سپرده شد تا اینکه در سال 1968 میلادی شرکت جنرال موتورز خودروی هیبریدی را وارد بازار کرد. این خودرو دارای موتور استرلینگ با توان 80 اسب بخار بود که به یک ژنراتور متصل می شد. در این خودرو برای جبران کمبود توان موتور از 14 عدد باطری استفاده شده بود. این خودرو دارای دو موتور القایی سه فاز 20 اسب بخاری بود ]5[.

در اواخر دهه 1990 دو خودروی هیبریدی جدید برای شرکت های تویوتا و هوندا وارد بازار شدند ]6[. خودروی تویوتا یک خودرو با ظرفیت 4 نفر بود. موتور بکار رفته در آن خودرو 4 سیلندر بنزینی بود. این خودر دارای طراحی بسیار دقیقی بود. راندمان این خودرو بالا و آلودگی آن بسیار کم بود. این موتور به یک گیربکس متغیر کوپل شده است که بصورت الکتریکی کنترل می شود. در این خودرو از 38 عدد باطری استفاده شده است. خودروی تویوتا از یک موتور الکتریکی 40 اسب بخار و یک ژنراتور مستقل برای بازیابی انرژی ناشی از ترمز استفاده می کند. این خودرو برای پیمودن 100 کیلومترمسافت حدود 4 لیتر بنزین مصرف می کند. در مقابل خودروی هوندا یک خودروی نیمه هیبرید است که توسط یک موتور بنزینی 3 سیلندر 50 کیلوواتی تغذیه می شود. همچنین یک موتور الکتریکی 10 کیلوواتی بعنوان منبع دوم تولید توان در کنار موتور بنزینی بکار گرفته شده است. این خودرو برای پیمودن 100 کیلومترمسافت حدود 4/3 لیتر بنزین مصرف می کند.

1-4 ساختار خودروهای هیبرید

خودروی هیبرید از دو یا چند منبع انرژی و مبدل انرژی برای تولید قدرت استفاده می کند. اگر یکی از منابع بکار رفته منبع الکتریکی باشد، به خودرو هیبرید الکتریکی گفته می شود. در شکل زیر ساختار خودروهای هیبرید الکتریکی نشان داده شده است.

شکل 1-1: ساختار خودروهای هیبرید الکتریکی

با توجه به شکل 1-1 واضح است که هر دو سیستم انتقال قدرت با هم در توان مورد نیاز خودرو را تولید می کننتد. توان تولیدی هر یک از سیستم های انتقال قدرت با یکدیگر جمع شده  و به چرخ ها انتقال داده می شود. از طرفی هریک از این سیستم ها قادرند که هم تزریق کننده انرژی باشند و هم دریافت کننده انرژی. همانطور که از شکل مشخص است سیستم 1 یکطرفه است یعنی فقط می توان از سیستم 1 انرژی دریافت کرد و به آن نمی توان انرژی داد. در صورتی که سیستم 2 دو طرفه بعبارتی هم تزریق کننده انرژی و هم دریافت کننده انرژی می باشد.

اگر در شکل 1-1 برای منبع و مبدل سیستم 1 از سوخت فسیلی و موتور احتراقی و برای منبع و مبدل سیستم 2 از باطری و موتور الکتریکی استفاده کرد نتیجه یک خودروی هیبرید خواهد بود. این خودروی الکتریکی می تواند در بخش الکتریکی انرژی را جذب کند. در این خودروی هیبرید باطری های سیستم الکتریکی را از طریق چرخ ها (بازیابی انرژی ناشی از ترمز) شارژ کرد.

در خودروهای با ساختار سری دو منبع انرژی یعنی باطری و سوخت فسیلی تولید کننده توان یعنی موتور الکتریکی را تامین می کنند. در این ساختار تمام گشتاور و توان داده شده به چرخ ها از سوی موتور الکتریکی به آن ها منتقل می شود. موتور احتراقی انرژی مورد نیاز موتور را تامین می نماید. موتور الکتریکی بطور مستقیم به چرخ ها وصل نیست و در کنار باطری ها بعنوان یک منبع کمکی عمل می کند. در این ساختار برخی از باطری های آن جایگزین موتور احتراقی شده است. در این ساختار در صورت کمبود انرژی از انرژی هنگام ترمز و شارژ باطری ها در زمان طی مسافت استفاده می شود. در ساختار موازی اتلاف در اثر تبدیل انرژی کمتر می باشد. از طرفی بدلیل غیر قابل کنترل بودن سرعت موتور احتراقی، راندمان عملکرد آن پایین است.

1-5 پیل سوختی

پیل‌‌سوختی نوعی سلول الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی حاصل از واکنش را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سازه و بدنه اصلی پیل‌سوختی از الکترولیت، الکترود آند و الکترود کاتد تشکیل شده است. پیل سوختی یک دستگاه تبدیل انرژی است که به لحاظ نظری تا زمانی که ماده اکسید کننده و سوخت در الکترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارد. البته در عمل استهلاک، خوردگی و بد عمل کردن اجزای تشکیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را کاهش می‌دهد ]8-7[.

1-5-1 انواع پیل سوختی مورد استفاده در صنعت خودرو

انواع پیل های سوختی از لحاظ دمای عملکرد و سطح راندمان بصورت زیر تقسیم بندی می شوند ]8-7[.

پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC[7])

پیل سوختی قلیایی (AFC[8])

پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC[9])

پیل سوختی اکسید جامد (SOFC[10])

پیل سوختی متانولی (DMFC[11])

پیل‌سوختی اسید فسفریک  ]7[ اولین پیل‌سوختی تجاری  می باشد که توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمایش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمینه افزایش پایداری و عملکرد و کاهش هزینه می‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در این پیل‌سوختی اسیدفسفریک با غلظتی در حدود %100 می‌باشد. محدوده دمای کارکرد این پیل‌سوختی بین 150 تا 220 درجه سانتیگراد است. هدایت یونی در اسیدفسفریک نسبتاً ضعیف است ولی به علت پایداری بیشتر نسبت به سایر اسیدها جهت استفاده در این نوع پیل‌سوختی ارجعیت دارد. پیل‌سوختی اسیدفسفریک به CO2 حساسیتی نداشته و حضور  CO تا حد 2-1 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. کاتالیست مورد استفاده در پیل‌سوختی اسید فسفریک پلاتین و ماتریسی که برای نگه‌داری اسید به کار می‌رود از جنس کاربید سیلیکون (SiC) است. بازده الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حد 45%-40% است که با استفاده از حرارت حاصل از واکنش‌های الکتروشیمیایی در کاربردهای توامان برق و حرارت  میزان بازده کلی (الکتریکی و حرارتی) به 85%  افزایش می‌یابد.

پیل‌های سوختی غشاء پروتون (پلیمری) ]8[ اولین بار در دهه 1960 برای برنامه Gemini ناسا استفاده شد. این نوع پیل‌سوختی از نقطه‌ نظر طراحی و کارکرد یکی از جذابترین انواع پیل‌سوختی است. پیل‌سوختی پلیمری دارای الکترولیت پلیمری به شکل یک ورقه نازک منعطف است که هادی یون هیدروژن (پروتون) می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت، از آب اشباع باشد. نفیون یکی از بهترین الکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل‌سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمای پایین 80 درجه سانتیگراد( تقریباً 175 درجه فارنهایت) کار می کند. سایر الکترولیت های جامد در دمای بالا نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد کار می‌کنند. در پیل‌سوختی پلیمری واکنش احیاء اکسیژن واکنش کندتر است (این واکنش سه مرتبه کندتر از واکنش اکسید شدن هیدروژن است). کاتالیست مورد استفاده در این پیل‌سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزان کاتالیست مصرفی در الکترودهای این نوع پیل‌سوختی بیشتر از سایر انواع پیل‌سوختی است. بازده‌ الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حدود  %50-40 درصد است. سوخت مصرفی در پیل‌سوختی پلیمری نیازمند هیدروژن خالص است لذا مبدل در خارج پیل‌سوختی جهت تبدیل سوخت‌های متانول و یا بنزین به هیدروژن نیاز است.

 پیل‌سوختی MCFC ]8-7[ کاملاً متفاوت از سایر انواع پیل‌سوختی عمل می‌‌نماید. الکترولیت این پیل‌ها ترکیبی از مذاب کربنات نمک‌ها می‌باشد. دو نوع ترکیبی که اکنون بیشترین کاربرد را دارند ترکیب کربنات سدیم و کربنات لیتیم و یا کربنات پتاسیم و کربنات لیتیم می‌باشند که در ماتریسی از جنس LiAlO2 نگهداری می‌شود. بواسطه دمای کارکرد بالا این نوع پیل‌سوختی، نیکل به عنوان آند و اکسید نیکل به عنوان کاتد استفاده می‌شود و نیازی به استفاده از فلزات کمیاب در الکترودهای این پیل‌سوختی نیست.  برای ذوب کربنات نمک و دستیابی به هدایت یون بهتر در الکترولیت، پیل‌سوختی کربنات مذاب  دمای بالا
( 600تا700  درجه  سانتیگراد )کار می‌کند. از این رو این پیل‌ها در خانواده پیل های سوختی دما بالا طبقه‌بندی می‌شوند.

توسعه پیل‌سوختی SOFC ]8[ از اواخر دهه  1950  آغاز شد و در حال حاضر بالاترین دما را در میان انواع پیل‌سوختی دارد. محدوده دمای عملکرد این پیل600 - 1000 درجه سانتیگراد است و به همین دلیل از انواع سوخت‌ها در آن می‌توان استفاده نمود. این پیل‌سوختی دو ساختار صفحه ای و لوله‌ای دارد و از الکترولیت جامد سرامیکی نازکی به جای الکترولیت مایع استفاده می‌شود. در دمای عملکرد بالا در پیل‌سوختی اکسید جامد یون‌های اکسیژن (با بار منفی) از شبکه کریستالی(عموماً ترکیبی از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم) عبور می‌کنند. در کاتد ملکول‌های اکسیژن هوا با چهار الکترون ترکیب می‌شوند. وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یون‌های اکسیژن از الکترولیت عبور می‌کند تا سوخت را اکسید کنند. الکترون های ایجاد شده در آند از یک مدار خارجی عبور می کنند و به کاتد می روند. با این کار مدار الکتریکی کامل  شده و انرژی برق  تولید می‌شود.

پیل سوختی متانولی یا DMFC ]8-7[ گونه‌ای از پیل‌های سوختی است که با استفاده از غشاء تبادل گر پروتون کار می‌کند. این نوع پیل، به دلیل عدم نیاز به مبدل (reformer) در کاربری‌های قابل جابجایی و ادوات متحرک جذابیت‌هایی دارد. نقطه ضعف DMFC نسبت به گونه‌های دیگر، پایین بودن کارآیی تبدیل انرژی آن است. در یک سلول DMFC، در سمت آند محلول متانول با آب در مجاورت یک الکترولیت در حضور یک کاتالیزور، تعدادی پروتون را  تولید می‌کند. در نتیجه در این سمت، بار منفی جمع می‌شود. در سمت کاتد یک اکسید کننده (هوا یا اکسیژن) در مجاورت کاتالیزو با ترکیب اکسیژن و پروتون‌های عبور کرده از میان غشاء، آب، گرما و اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کند.

الکترولیت، در این پیل، یک غشاء پلیمری جامد است که خصوصیات آن به شدت وابسته به چگونگی چیدمان مولکول‌ها دارد، و ساخت آن مستلزم داشتن تکنولوژی بالا است. برای این که کاتالیزور وظیفه خود را به خوبی انجام دهد، میزان تماس آن با غشاء باید بسیار زیاد باشد و روی آن به خوبی بنشیند و الکترودها (آند و کاتد)، باید کاملاً در تماس با غشاء باشند. این مجموعه ظریف برای کارکرد،  نیاز به تبادل ماده و جریان الکتریکی با محیط اطراف خود دارد. این مجموعه غشاء (همراه با کاتالیست‌ها) و الکترودها، به شکل یکپارچه مورد استفاده قرار می‌گیرد که به MEA‌ موسوم است و عموما شامل ٣، ٥ یا ٧ لایه است و به طور کلی فرآیند الکتروشیمیایی پیل در آن انجام می‌شود. جهت تماس مناسب بین واکنشگرها و MEA و نیز هدایت الکترون‌ها به مدار خارجی از صفحات جمع‌کننده (نوعا گرافیتی) تک قطبی[12] یا دو قطبی[13] استفاده می‌گردد. مجموعه صفحات هدایتگر (صفحات گرافیتی) و MEA باید به نحوی با هم مونتاژ می‌شوند که از محیط خارج کاملاً ایزوله گشته است. این مجموعه را در یک پیل سوختی سلول می‌نامند.

خروجی اصلی پیل، رفتار الکتریکی آن است که عموما به صورت منحنی ولت-آمپر قطبیت که بر واحد سطح یک سلول نمایش داده می‌شود، این منحنی شدیدا به پارامترهای نوع MEA، تعادل شیمیایی، الگوی جریان آندی و کاتدی، شرایط فیزیکی (دما، فشار ...) و نوع و غلظت واکنشگرها وابسته است. چون در اغلب موارد، یک سلول فاقد خصوصیات الکتریکی (جریان و ولتاژ کافی) مورد نظر است، گروهی از آنها را با هم ترکیب (معمولا سری) کرده و یک مجموعه سلول (stack) می‌سازند. برای آماده سازی شرایط تداوم عملکرد سلول‌های سری، سیستم جانبی لازم است که این سیستم وظیفه فراهم کردن شرایط محیطی مناسب برای واکنش‌های الکتروشیمیایی (درجه حرارت، فشار ...) و تغذیه واکنشگرها و خروج مواد زائد از محیط واکنش را بر عهده دارد.

[1] -Fuel Cell

[2] -Combustion Engine

[3] -Electric Vehicle

[4] - Ferdinand Porsche

[5] - Krieger company

[6] -Piper

[7] - Phosphoric acid fuel cell

[8] - alkaline fuel cell

[9] - Molten carbonate fuel cell

[10] - solid oxide fuel cell

[11] - Direct methanol fuel cell

[12]-  Unipolar

[13]-  Bipolar،