Исследование топливного элемента с протонообменной мембраной при изменении концентрациии кислорода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 519.68:544.65

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПРОТОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИИИ КИСЛОРОДА

INVESTIGATIONS OF THE PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL AT THE CHANGE

OF OXYGEN CONCENTRATION

П. В. Беляев, Д. А. Подберезкин, Р. А. Эм

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

P. V. Belyaev, D. A. Podberezkin, R. A. Em

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье рассмотрены особенности функционирования топливных элементов с протонооб-менной мембраной (ПОМТЭ). Исследована математическая модель топливного элемента, описывающая его электрические свойства и динамические характеристики. Разработана имитационная модель электроэнергетической системы с топливным элементом в качестве источника электроснабжения в программной среде Matlab/Simulink. В ходе исследования проанализирована реакция выходных характеристик ПОМТЭ на изменение концентрации кислорода в окислителе и построены соответствующие зависимости.

Ключевые слова: топливный элемент, ПОМТЭ, моделирование.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-9-15

I. Введение

С каждым годом в современном мире увеличивается объем генерации электрической энергии за счет альтернативных источников. Данная тенденция обусловлена большим количеством вредных выбросов от традиционных источников энергоснабжения, что негативно сказывается на экосистеме планеты. Немаловажным является и факт ограниченности углеводородных ресурсов для традиционного энергоснабжения. Перспективным направлением альтернативной энергетики является энергоснабжение потребителей за счет водородных топливных элементов. Хотя они также функционируют, используя невозобновляемые ресурсы, от традиционных источников топливные элементы отличаются высокой экологичностью и неиссякаемостью топливного ресурса, так как водород - это один из самых распространенных элементов на планете. Генерация электрической и тепловой энергии топливными элементами используется сравнительно недавно, что требует проведения дополнительных исследований по анализу режимов работы элементов и параметров, влияющих на его выходные характеристики. Это позволит улучшить производительность топливных элементов и, как следствие, снизить стоимость оборудования и вырабатываемой им энергии [1-2].

II. Постановка задачи

Для снижения стоимости топливных элементов, увеличения производительности их работы, снижения тарифов на вырабатываемую им энергию необходимо исследовать и провести анализ режимов работы и параметров топливных элементов, влияющих на его выходные характеристики.

Одним из факторов является влияние изменения процентного содержания кислорода в окислителе топливного элемента с протонообменной мембраной на его выходные энергетические параметры: ток, напряжение и мощность. Для определения характера этого влияния требуется разработать математическую и имитационную модель топливного элемента. Исследования и последующий анализ полученных при моделировании данных позволит оценить характер и степень влияния изменяемого параметра, сделать соответствующие выводы и дать рекомендации.

III. Теория

Топливный элемент представляет собой электрохимический источник энергии. Химическая реакция протекает на пористых электродах. Атомы водородсодержащего вещества, выступающего в реакции в качестве топлива, поступают к аноду и делятся на протоны и электроны. Движение электронов к катоду осуществляется по внешней цепи, что создает постоянный электрический ток. Движение протонов к катоду осуществляется через электролит. На катоде происходит восстановительная реакция. Протоны и электроны соединяются с кислородсодержащей смесью. Побочным продуктом такого процесса являются тепло и водяной пар.

На рисунке изображена принципиальная схема функционирования ТЭ с протонообменной мембраной [3].

Рис. 1. Принципиальная схема ТЭ с протонообменной мембраной

Реакции, происходящие в ячейке, описываются следующими выражениями: На аноде:

Н2 ^ 2Н+ + 2е-;

На катоде:

Общая реакция в ПОМТЭ:

Н2 + /02 ^ Н20.

(1) (2) (3)

Детализированная математическая модель топливного элемента позволяет исследовать влияние изменения его входных параметров, таких как давление, температура, концентрация реагентов и скорости потоков топлива и окислителя на изменение напряжения холостого хода (Е0С), тока обмена (10) и наклон Тафеля (А). Е0С, ¿о и А изменяются следующим образом:

Епг — КГЕ„

_ 2Рк(РН2 + Р02) 1-0 — ~ с ,

Як

А — —,

гар

(4)

(5)

(6)

где Я - 8,3145 Дж/(моль К); Б - 96485 Кл/моль; ъ - количество движущихся электронов; Еп - напряжение Нерн-ста, которое является напряжением термодинамики элементов и зависит от температуры и парциального давления реагентов и продуктов внутри стека (В); а - коэффициент передачи заряда, которая зависит от типа используемых электродов и катализаторов; РН2 - парциальное давление водорода внутри стека (атм); РО2 - парциальное давление кислорода внутри стека (атм); К - постоянная Больцмана - 1.38 х 10-23 Дж / К; И - постоянная Планка - 6,626 х 10-34 Дж с; ДG - размер активационного барьера, который зависит от типа используемого электрода и катализатора; Т - температура эксплуатации (К); Кс - постоянная напряжения при номинальных условиях эксплуатации.

Темпы преобразования водорода (Ин2) и кислорода (Иго2) вычисляются с помощью следующих выражений:

и

/Н2 1/02

_ пН2 _

60000ЯТМ1

Г

пН2, грр/ие1^1рт(/ие1)х% '

60000RТNÍ

ГС

02 2гРра1г^1рт(шг)У% '

(7)

(8)

где Р^ - абсолютное давление подачи топлива (атм); Ра1Г - абсолютное давление подачи воздуха (атм); У1рттие1) -расход топлива (л/мин); У1рт(а1Г) - расход воздуха (л/мин); х - процент водорода в топливе (%); у - процент кислорода в окислителе (%); N - число ячеек.

/02 + 2Н+ + 2е- ^ Н20

I

Константа 60000 учитывается при конверсии от скорости л / мин потока, используемого в модели, к размерности м3 / с (1 литр / мин = 1 / 60000 м3 / сек).

Парциальное давление и напряжение Нернста определяются следующим образом:

(9)

РН2 = (1 - UfH2)x%Pfuel РН20 = (w + 2y%Uf02)PaU Р02 = (1- Uf02)y%Pair ,

(10)

(11)

En

1.229 + (Т- 298) 1.229 + (Т- 298)

ZF -44.43

+ ^ 1п(РН2Р1/2) при Т < 100°С

+ ^1п(рлЩ При т>100°с' ZF \ РН20 J *

(12)

где РН20 - парциальное давление водяного пара внутри стека (атм); W - процент водяного пара в окислителе (%).

Полученные парциальные давления газов и напряжения Нернста могут быть использованы для вычисления новых итерационных значений напряжения холостого хода (Е0С), тока обмена (10) и наклона Тафеля (А).

Расчет значений а, ДG и Кс производится на основе поляризационной кривой при номинальных условиях эксплуатации топливного элемента с учетом таких дополнительных параметров, как низкая эффективность теплотворности стека, состава топлива и воздуха, давлений газа и температуры. Эти значения указываются в спецификации производителя топливного элемента.

Номинальные уровни конверсии газов рассчитываются следующим образом:

UfH2 =

Vnom^h°(H20(gas))N

(13)

Uf02=-

'nom'V'nom

2zFpairnomVlPm(air)nom021

(14)

где Ппот - номинальный КПД при нормальной теплотворности стека (%), Ah (H2O (gas)) - 241,83 х 103 Дж / моль; Vnom - номинальное напряжение (V); Inom - номинальный ток (А); Vipm(air)nom - номинальный расход воздуха (л/мин); Pairnom - номинальный абсолютное давление подачи воздуха (Па); Tnom - номинальная рабочая температура (К).

По этим значениям скорости конверсии могут быть получены номинальные парциальное давление газов и напряжение Нернста. При известных EOC, 10 и А, а также при условии, что стек работает с постоянной скоростью конверсии или функционирует в номинальном режиме, могут быть определены а, AG и Кс [7-10].

Для исследования работы топливного элемента и анализа влияния на рабочие характеристики изменения концентрации кислорода в окислителе была разработана расчетная количественная имитационная модель в программной среде MATLAB/Simulink. Разработанная модель изображена на рис. 2.

Рис. 2. Имитационная модель работы топливного элемента

44.43

ZF

Номинальное напряжение топливной ячейки 45 Vdc подается на преобразователь напряжения. Преобразователь напряжения увеличивает напряжение до 100 У^, после чего напряжение подается на нагрузку с постоянной времени 1 сек. Номинальная мощность установки составляет 6 кВт [3-6].

IV. Результаты экспериментов В отличие от качества водородной смеси топливного элемента, к качеству окислителя топливного элемента с протонообменной мембраной не предъявляются особо жесткие требования. В исследуемой модели номинальное процентное содержание кислорода в окислителе равняется 21%. Это означает, что в качестве окислителя можно использовать обычный воздух. Так как воздух является самым простым и дешевым вариантом окислителя, то целесообразно исследовать только повышение процентного содержания кислорода в окислителе. На рис. 3 показан пример изменения задающего сигнала процентного содержания кислорода на всем этапе моделирования.

Рис. 3. Задающий сигнал, характеризующий концентрацию кислорода в окислителе при моделировании

Ряд полученных экспериментальных значений показал, что ПОМТЭ сохраняет функциональную работоспособность при повышении концентрации кислорода в окислителе до уровня, когда в качестве окислителя используется чистый кислород (99,7 %)

На рис. 4-7 изображены графики токов и напряжений, соответствующие данному изменению концентрации кислорода в окислителе.

Рис. 4. График напряжения на выходе ПОМТЭ от времени при концентрации кислорода в окислителе 99,7 %

Рис. 5. График тока на выходе ПОМТЭ от времени при концентрации кислорода в окислителе 99,7 %

Рис. 6. График напряжения на выходе преобразователя напряжения от времени при концентрации кислорода

в окислителе 99,7 %

Рис. 7. График тока на выходе преобразователя напряжения от времени при концентрации кислорода

в окислителе 99,7 %

На рис. 8-9 изображены зависимости выходных токов и напряжений от изменения концентрации кислорода в окислителе от номинального до максимального значения.

Рис. 8. График изменения напряжения от концентрации кислорода

1тэ,А

140

110

О 20 40 &0 30 100 О 2

Рис. 9. График изменения тока от концентрации кислорода

V. Обсуждение результатов

В результате имитационного моделирования выявлено, что изменение концентрации кислорода в окислителе возможно в широких пределах - от номинального значения в 21 % (обычный воздух) до значения в 99.7 % (чистый кислород). Необходимо отметить, что при таком диапазоне изменений не наблюдаются аварийные и критические режимы работы ПОМТЭ. Безопасное для топливного элемента регулирование концентрации водорода в топливе возможно только в диапазоне 5%. Выход за этот предел создаст аварийный режим работы и рост тока до 2,5 кА. Изменение концентрации кислорода в окислителе оказывает существенное влияние на выходные характеристики, но значения тока и напряжения не достигают аварийных значений.

VI. Выводы и заключение

• Разработана имитационная модель ПОМТЭ и выполнено его имитационное моделирование.

• Исследовано влияние изменения концентрации кислорода на выходные характеристики ПОМТЭ.

• Выявлено, что изменение концентрации кислорода в окислителе ПОМТЭ оказывает существенное влияние на его выходные характеристики.

• Определено, что изменение концентрации кислорода не приводит к аварийным режимам работы ПОМТЭ.

Список литературы

1. Belmokhtar K. [et al.]. Modelling and fuel flow dynamic control of proton exchange membrane fuel cell // Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference on. IEEE, 2013. С. 415-420.

2. Hahnel C., Aul V., Horn J. Power efficient operation of a PEM fuel cell system using cathode pressure and excess ratio by nonlinear model predictive control //Control Conference (ECC), 2015 European. IEEE, 2015. С. 33403345.

3. Belyaev P. V. [et al.]. Simulation modeling of proton exchange membrane fuel cells // 2016. IEEE Conference Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Omsk, Russia, 15-17 November 2016. С. 1-5. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818980.

4. Sharma M., Pachauri R. K., Goel S. K. MATLAB/Simulink modeling and analysis of parametric effects on PEMFC performance // Recent Developments in Control, Automation and Power Engineering (RDCAPE), 2015 International Conference on. IEEE, 2015. С. 226-231.

5. Najafizadegan H., Zarabadipour H. Control of voltage in proton exchange membrane fuel cell using model reference control approach // Int. J. Electrochem. Sci. 2012. Vol. 7. P. 6752-6761.

6. Samosir A. S., Sutikno T., Yatim A. H. M. Dynamic evolution control for fuel cell DC-DC converter // TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronics and Control). 2011. Vol.. 9, no. 1. С. 183-190.

7. Bhansali G., Kumar R. Design analysis and dynamic control of PEM fuel cell for standalone applications // Electrical, Electronics and Computer Science (SCEECS), 2014 IEEE Students' Conference on. IEEE. С. 1-6. DOI: 10.1109/SCEECS.2014.6804455.

8. Friede W., Клё! S., Davat B. Mathematical model and characterization of the transient behavior of a PEM fuel cell // IEEE Transactions on Power Electronics. 2004. Vol. 19, no. 5. С. 1234-1241.

9. Lee J. M., Cho B. H. A dynamic model of a PEM fuel cell system //Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009. APEC 2009. Twenty-Fourth Annual IEEE. IEEE, 2009. С. 720-724.

10. Tremblay O. [et al.]. A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell vehicles // Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009. IEEE, 2009. С. 1722-1729.

УДК 621.548

ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ВЕТРОКОЛЕС БЕЗ НАГРУЗКИ В ТЕЛЕ УСКОРИТЕЛЯ ПОТОКА ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

EVALUATION OF USING NO-LOAD WIND WHEELS IN A FLOW ACCELERATOR BODY FOR WIND POWER PLANTS WITH A VERTICAL ROTATION

А. А. Бубенчиков, И. С. Лебедев, Т. В. Бубенчикова

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

А. A. Bubenchikov, I. S. Lebedev, T. V. Bubenchikova

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье представлены исследования, освещающие многолетний период научно-практического поиска по определению наиболее оптимальной конструкции конфузора для ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, работающей в условиях климатических зон малого ветрового давления. В ходе работы были представлены установки башенного типа со свободными лопастями в теле концентратора, шестигранная коническая геометрия с внутренними потоконаправляющи-ми плоскостями и гладкоконическая конструкция со спиралеобразными камерами с ограничивающей нижней плоскостью в виде спирального лотка. Проведены аналитические исследования предложенных конструкций, оценена динамика улучшения КПД систем. Даны рекомендации по дальнейшему развитию научного поиска в рамках оптимизации исходной конструкции и условий её эксплуатации. В результате научно-практического поиска, представленного математическим моделированием и лабораторными испытаниями, были определены оптимальные геометрии концентраторов ветрового потока с максимальными коэффициентами ускорения.

Ключевые слова: ветроэнергетика, ускоритель потока, концентратор, конфузор, ветрозабор.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-15-24