Экспериментальные исследования работы топливного элемента в динамических режимах в условиях отравления катализатора моноксидом углерода Текст научной статьи по специальности «Физика»

Экспериментальные исследования работы топливного элемента в динамических режимах в условиях отравления катализатора моноксидом

углерода

С.О.Грудинин, Н.В.Смирнова

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени

М.И. Платова, Новочеркасск, Россия

Experimental studies of the operation of fuel cell in dynamic modes under conditions of poisoning of a catalyst with carbon monoxide

S.O.Grudinin, N.V.Smirnova

Novocherkassk Polytechnic Institute, Novocherkassk, Russia e-mail: gs177@yandex.ru

DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.54

Россия обозначила ключевые направления развития водородной энергетики с упором на собственные технологические компетенции и достижение к 2030 году увеличения производства низкоуглеродного водорода до 550 тыс. тонн для внутреннего потребления. В современных условиях водород находит широкое применение в альтернативной и низкоуглеродной энергетике.

Одним из значительных недостатков производства водорода является его производство не в чистом виде, а в смеси с другими газами, что требует использования дополнительного оборудования для очистки от примесей (углеводородов, угарного газа, меркаптанов).

В случае летательных аппаратов наиболее подходящими являются водородно-воздушные топливные элементы с низкотемпературными полимерными мембранами. Они характеризуются простой конструкцией и минимальным количеством дополнительных элементов, влияющих на массу и размеры конструкции энергетической установки.

Целью нашей работы была разработка эффективного метода борьбы с загрязнением катализатора на анодной стороне за счет использования вспомогательных систем, не превышающих 25% от исходной массы энергетической установки. Наш метод включает в себя комбинацию продувки области анода, короткое замыкание цепи топливного элемента, короткое замыкание МЭБ топливного элемента, предварительный прогрев и контроль температуры топливного элемента с целью удаления СО с поверхности отравленного катализатора с эффективностью не менее 95%. [1]

Результаты наших экспериментов были успешно воспроизведены на трех идентичных образцах в течение 600 часов экспериментов. Применение указанных комбинаций значительно сократило время восстановления активности катализатора при загрязнении уровнями 5%, 10%, 15%, 20% угарным газом в экспериментальном газе [2].

¿, А/ем3

Рисунок 1. ВАХ ТПТЭ при отравлении 1- 5% СО, 2- 10% СО, 3- 15% СО, 4- 25% СО.

Рисунок 2. Зависимость плотности тока от % содержания СО в модельном газе

Рисунок 3. ВАХ кривые и соответствующие им кривые мощности. Влияние загрязненного газа 1 - 5%, 2- 10%, 3- 15% СО на периоде работы до 600 часов.

Исследования в области средних плотностей тока показали, что путем настройки соответствующих условий экспериментов удалось достичь уровня в 240-250 мВт/см2 в течение продолжительного периода работы на модельном газе с примесью до 15% СО.

[4].

В заключение следует подчеркнуть, что конструкция прототипа топливного элемента, использованная в исследовании, до сих пор остается неоптимизированной с точки зрения омического и контактного сопротивлений компонентов топливного элемента, выбора типа и толщины газодиффузионных слоев, толщины водородной камеры и траектории потока водорода, соотношения закрытой/открытой части поверхности электродов, материалов конечных пластин. Эти вопросы будут являться объектом дальнейших исследований в области оптимизации конструкции топливного элемента. [6]

Литература.

1. Добровольский, Ю. А. Успехи в области протонпроводящих полимерных электролитных мембран / Ю. А. Добровольский, П. Джаннаш, Б. Лафитт, Н. М. Беломоина, А. Л. Русанов, Д. Ю. Лихачев // Электрохимия. - 2007. - Т. 43, № 5. - С. 515527

2. Нечитайлов, А. А. Возможности метода динамических разрядных кривых при исследовании топливных элементов для воздушно-водородного источника тока / А. А. Нечитайлов, Н. В. Глебова, А. А. Томасов, Н. К. Зеленина // Научное приборостроение.

- 2013. - Т. 23, № 4. - С. 54-62.

3. Gerasimova, E. V. Electrocatalytic properties of the nanostructured electrodes and membranes in hydrogen-air fuel cells / E. V. Gerasimova, E. Yu. Safronova, A. A. Volodin, A. E. Ukshe, Yu. A. Dobrovolsky, A. B. Yaroslavtsev // Catalysis Today. - 2012. - Vol. 193. - Р. 81-86.

4. Barsoukov, E. Impedance Spectroscopy Theory, Experiment, and Applications // Ed. by E. Barsoukov, J. R. Macdonald. - New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2005. - 595 p

5. Дюсембекова, А. А. Нанокомпозитные протонообменные мембраны для топливных элементов / А. А. Дюсембекова, В. В. Сохорева // Тезисы IV российской молодежной научной школы-конференции «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи». - 2016. - С. 259-263

6. Добровольский, Ю. А. Нанокомпозитные полимерные протонообменные мембраны для топливных элементов / Ю. А. Добровольский // Мембраны и мембранные технологии / сб. науч. тр. / под ред. А. В. Ярославцева. - М.: Научный мир. 2013. - С. 510

- 534.