CC BY
40
УДК 519.68:544.65
В. А. Василенко1, А. Д. Модестов2, А. И. Щербаков1, Э. М. Кольцова1*, В. А. Богдановская2
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
2ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 31, корп. 4
* e-mail: kolts@muctr.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА C УЧЕТОМ НАЛИЧИЯ ОКСИДА УГЛЕРОДА В ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ
Аннотация
Проведено математическое моделирование процессов, протекающих в низкотемпературном водородо-воздушном топливном элементе с учетом наличия СО в водородном топливе. Учтено влияние СО на процессы токообразования. Получены расчетные данные разрядных кривых. Получено соответствие между расчетными и экспериментальными данными. В системе AutoCAD построена 3-х мерная модель топливной ячейки.
Ключевые слова: математическое моделирование, низкотемпературный топливный элемент с полимерной мембраной, водород, альтернативная энергетика, системы автоматизированного проектирования.
Топливный элемент (ТЭ) является перспективным альтернативным источником электрической энергии. Привлекательность применения ТЭ основано экологической чистотой и эффективностью процессов преобразования энергии. В настоящее время проводятся исследования по использованию ТЭ в качестве ключевых компонентов в когенерационных установках, особенно малых «домашних» электроэнергетических станций мощностью 0,75 кВт - 1 кВт. Популярность таких комбинированных тепло-электрических установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру хозяйства. Данная электроэнергетическая установка может работать и на природном газе. Основной сложностью использования ТЭ в таких установках является наличие в питающем газе СО, отравляющего катализатор.
Экспериментальные исследования В Институте электрохимии РАН им. А. Н. Фрумкина проведены испытания по подбору коммерческих (платиновых) катализаторов и создание новых, толерантных к каталитическим ядам катализаторов для использования в аноде ТЭ. Использовалась испытательная ячейка АгЫп (США) рабочей поверхностью мембранно-электродного блока (МЭБ) 25 см2. Смеси водорода с монооксидом углерода заданных параметров: состава, температуры и увлажнения, готовили с использованием испытательного стенда топливных элементов Ну<1го§етс8 (Канада). В качестве анодных катализаторов были выбраны коммерческие катализаторы Е-ТЕКР/С с содержанием платины 40% и синтезированный Р1Яи/С с содержанием металлов 40%. На катоде МЭБ во всех случаях находился катализатор ЕТЕКР/С с содержанием платины 40%. Содержание металлов платиновой группы на электродах МЭБ во всех случаях было 0,5 мг/см2. Измерения проводили при температуре макета
70 оС, при 100% увлажнении воздуха и водородного топлива.
Компьютерное моделирование топливного элемента
Математическая модель, используемая для описания процессов, протекающих в ТЭ, была ранее представлена авторами в работе [1]. Математическая модель основана на решении основных уравнений гидродинамики, уравнений сохранении массы, энергии и тока. Влияние отравляющего воздействия СО на катализатор учитывается изменением электрохимически активной поверхности
катализатора.
Моделирование явлений, протекающих в ТЭ, проводили с применением программного пакета FLUENT компании ANSYS. Аналогично [1] были построены геометрическая модель ТЭ с газовыми каналами в виде серпантина и расчётная сетка. Для построения сеточной модели каналов подачи газов, газо-диффузионных слоёв и биполярных пластин были применены тетраэдральные элементы, для построения активных слоёв и мембраны -гексаэдральные элементы.
В результате моделирования были получены расчетные данные, на основе которых были построены разрядные кривые. На рисунке 1 (а) представлены расчетные (линии) и
экспериментальные данные (точки) для низкотемпературного ТЭ с коммерческим катализатором E-TEK Pt/C с содержанием платины 40% на аноде для трех исследований: при подаче на анод чистого водорода, водорода, содержащего 27,6 ppm СО и водорода, содержащего 27,6 ppm СО+1% воздуха. На рисунке 1 (б) представлены разрядные кривые, полученные на основе расчетных и экспериментальных данных для
низкотемпературного ТЭ с катализатором PtRu/C на аноде для трех исследований: при подаче на анод чистого водорода, водорода, содержащего 98 ppm СО и водорода, содержащего 98 ppm СО+1% воздуха.
а б
Рис. 1. Нагрузочные кривые МЭБ, экспериментальные (точки) и расчетные (линии): а - катализатор анода Е-ТЕК Р1:/С, б - PtRu/C
Как видно из представленных данных (рис. 1), в ходе моделирования получено хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными результатами.
В таблицах 1, 2 для двух типов ТЭ (с катализаторами анода Е-ТЕК Р^С и Р1Яи/С)
приведены значения коэффициентов переноса заряда, порядка реакции и активной удельной поверхности на аноде и катоде, используемые при расчете разрядных кривых. Значения этих параметров были определены из условия соответствия расчетных и экспериментальных данных.
Таблица 1. Характеристики анода и катода МЭБ при различном топливе на аноде,
Параметр Н2 - 02 Ш + ТО (27,6 ppm) - 02 Ш + ТО (27,6 ppm ) + 1% 02
Анод Катод Анод Катод Анод катод
а 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
У 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Б, м2р^т 24 37 20 37 18 37
Таблица 2. Характеристики анода и катода МЭБ при различном топливе на аноде, _катализатор анода Р:Яы/С
Параметр Ш - 02 Ш + ТО (98 ppm) - 02 Ш + ТО (98 ppm ) + 1% 02
Анод Катод Анод Катод Анод катод
а 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
У 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Б, м2Ме/гМе 24 37 18 37 8 37
Из представленных на рисунке 1 (а) и в таблице 1 данных видно, что добавление 27,6 ррт СО к водороду резко снижает вольтамперные характеристики МЭБ. Так, при напряжении 0,6 В, добавление СО приводит к падению плотности тока разряда от 0,3 А/см2 до 0,11 А/см2. Добавка 1% воздуха к смеси Ш+27,6 ррт СО заметно улучшает нагрузочную кривую, при напряжении 0,6 В плотность тока повышается до 0,2 А/см2. Добавление СО в водородное топливо снижает плотность тока обмена примерно в 20 раз, площадь активной удельной поверхности уменьшается в 1,3 раза. При добавлении 1% кислорода активная поверхность увеличивается примерно на 10%, а плотность тока обмена увеличивается в 5 раз.
Сравнение кривых на рисунке 1 (б) и данных таблицы 2 показывает, что добавление 98 ррт СО к водороду приблизительно вдвое снижает вольтамперные характеристики МЭБ. Так, при напряжении 0,6 В, добавление СО приводит к падению плотности тока разряда от 0,36 А/см2 до 0,18
А/см2. Добавка 1% воздуха к смеси Ш+98ррт СО заметно улучшает нагрузочную кривую, при напряжении 0,6 В плотность тока повышается до 0,3 А/см2. Добавление СО в водородное топливо снижает плотность тока обмена примерно в 3 раза, площадь активной удельной поверхности также уменьшается в 3 раза. При добавлении 1% кислорода плотность тока обмена и активная поверхность увеличиваются примерно в 2 раза.
При сравнении двух ТЭ с разными катализаторами на аноде, можно заметить, что для экспериментов с катализатором анода Р1Яи/С и подаваемым топливом, содержащим 98 ррт СО и водорода, активная поверхность примерно в 2 раза ниже. Скорее всего, это связано с большим отравлением катализатора (большее содержание СО в подаваемом топливе: 98 ррт по сравнению с 27,6 РРт).
Видно, что результаты моделирования совпадают с экспериментальными данными.
С целью визуализации топливной ячейки в системе автоматизированного проектирования AutoCAD была построена ее трёхмерная модель (3D-модель). Система AutoCAD позволяет получить высококачественную визуализацию моделей и реализовать трёхмерную печать, отправить результат моделирования на 3D-принтер. Для построения 3D-модели ячейки были отдельно смоделированы все детали и элементы (концевые пластины, графитовые
7
блоки с серпантином, мембрана с нанесенными каталитическими слоями, система подвода газа, штуцеры и стяжные болты), которые в дальнейшем были объединены в одну модель. Результат моделирования ячейки в изометрической проекции с вырезом % представлен на рисунке 2 (а), графитового блока с вырезанным серпантином для подачи газа - на рисунке 2 (б).
а б
Рис. 2. Трёхмерная модель топливной ячейки: a - сборочный чертеж топливной ячейки с вырезом % (1, 5 - стяжные пластины анода и катода; 2, 4 - графитовые пластины анода и катода; 3 - мембрана с нанесенными с обеих сторон активными и газодиффузионными слоями; 6 - штуцер для подачи окислителя на катод; 7 - штуцер для подачи водорода на анод); б - графитовая пластина с серпантином для подачи газа
Василенко Виолетта Анатольевна, к.т.н., доцент кафедры Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Модестов Александр Давидович, к.х.н., ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, Россия, Москва.
Щербаков Андрей Игоревич, студент 4 курса факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Богдановская Вера Александровна, д.х.н., ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, Россия, Москва.
Литература
1. Моделирование топливных элементов / Василенко В.А. [и др.]. Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 3-2 (122). - С. 18-31.
Vasilenko Violetta Anatolievna1, Modestov Aleksandr Davidovich2, Shcherbakov Andrei Igorevich1, Koltsova Eleonora Moiseevna1 *, Bogdanovskaya Vera Aleksandrovna2
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
2Frumkm Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia. * e-mail: kolts@muctr.ru
LOW TEMPERATURE FUEL CELL SIMULATION ACCOUNTING CARBON OXIDE PRESENCE IN THE HYDROGEN FUEL
Abstract
Mathematical modeling of the low-temperature hydrogen-air fuel cell based on the presence of CO in the hydrogen fuel has been carried out. It has been taken into account CO effect on the current generation processes. Discharge curves calculated data have been obtained. An agreement between the experimental and calculated data has been received. 3-dimensional model of the fuel cell has been built with the aid of AutoCAD.
Key words: mathematical modeling, low temperature fuel cell with a polymer membrane, hydrogen, computer-aided design.
