Научная статья на тему 'Моделирование топливного элемента с протонообменной мембраной'

Моделирование топливного элемента с протонообменной мембраной Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
9
1
Поделиться
Ключевые слова
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ / FUEL CELLS / ПРОТОНООБМЕННАЯ МЕМБРАНА / PROTON EXCHANGE MEMBRANE / МОДЕЛИРОВАНИЕ / MODELING / ТОК / CURRENT / НАПРЯЖЕНИЕ / VOLTAGE

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Беляев Павел Владимирович, Мищенко Владимир Сергеевич, Подберезкин Дмитрий Анатольевич, Эм Роман Артурович

В данной работе построена и исследована имитационная модель источника питания на базе топливного элемента с протонообменной мембраной. В ходе имитационного моделирования в среде MATLAB/Simulink определено влияние изменения входных параметров топливного элемента: скорости расхода топлива, скорости расхода воздуха и рабочей температуры на ток и напряжение, как самого элемента, так и на ток и напряжение в нагрузке. В завершение представлены выводы о влиянии каждого из исследуемых параметров, на основании результатов моделирования.

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Беляев Павел Владимирович, Мищенко Владимир Сергеевич, Подберезкин Дмитрий Анатольевич, Эм Роман Артурович,

Текст научной работы на тему «Моделирование топливного элемента с протонообменной мембраной»

химический метод путем совместного осаждения прекурсоров является надежным методом синтеза магнитных нанокристаллитов маггемита.

Заключение. Проведен обзор применения химического метода синтеза напорошков на основе железа путем осаждения (соосаждения). На примере получения ультрадисперсных порошков железа из железорудного концентрата рассмотрена общая структура этого метода, представляющая совокупность последовательных стадий:

- растворение оксидов железа в кислотном растворе с образованием хлоридов железа,

- гидролиз хлоридов железа с выпадением осадка гидрооксида железа,

- термическое разложение гидрооксида железа с образованием осадка гематита,

- восстановление гематита водородом до наночастиц железа.

Показано, совместное осаждение прекурсоров является надежным методом синтеза магнитных нанокристаллитов маггемита.

Работа выполнена в рамках научного гранта «Разработка технологии получения нанопорошков железа методом поверхностной оксидации нелегированной стали» Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан по договору №45 от 12 февраля 2015 года.

Литература

1. Xingzhong Guo, Qilong Zhang, Xingeng Ding, Qianhong Shen, Chunchun Wu, Lingjie Zhang, Hui Yang. Synthesis and application of several sol-gel-derived materials via sol-gel process combining with other technologies: a review // Journal of Sol-Gel Science and Technology. Published online: 16 January 2016, pp. 131. URL: http://link.springer.com/article/10.1007/s10971-015-3935-6#page-1. (дата обращения: 10.05.2016).

2. Конюхов Ю. В., Рыжонков Д. И., Левина В. В., Дзидзигури Э. Л. Получение нанопорошков железа из железорудного материала // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2005. № 3. С. 11-15.

3. Конюхов Ю. В., Левина В. В., Рыжонков Д. И., Пузик И. И. Свойства наноразмерных порошков железа, полученных химико-металлургическим методом с применением поверхностно-активных веществ // Российские нанотехнологии, 2008, т. 3, № 5-6, с. 158-163.

4. Очистка горячекатаных полос от окалины. URL: http://dlja-mashinostroitelja.info/2012/01/2-ochistka-gorjachekatanyh-polos-podkata-ot/ (дата обращения: 17.05.2016).

5. Каргин Д. Б., Мухамбетов Д. Г., Чалая О. В. Научные основы получения нанопорошков на основе железа путем поверхностной оксидации нелегированной стали // Вестник ЕНУ им. Л. Н. Гумилева, Серия естественно-технических наук, 2015, № 3, C.72-76.

6. Mukhambetov D. G., Chalayа O. V. On the mechanism of self-deceleration of the thin oxide film growth // Journal of Vacuum Science and Technology. A. (USA), 2002, Vol. 20, No 3, P. 839-842.

7. Mousa Nazari, Nahid Ghasemi, Heydar Maddah et al. Synthesis and characterization of maghemite nanopowders by chemical precipitation method // Journal of Nanostructure in Chemistry, 2014, No 6, pp. 1-5.

8. Juan Adrián Ramos Guivar, Arturo Isaías Martínez, Ana Osorio Anaya et all. Structural and Magnetic Properties of Monophasic Maghemite (y-Fe2O3) Nanocrystalline Powder // Advances in Nanoparticles, 2014, Vol.3, No 3, P. 114-121.

Modeling of proton exchange membrane fuel cell Belyaev P.1, Mishchenko V.2, Podberezkin D.3, Em R.4 Моделирование топливного элемента с протонообменной мембраной Беляев П. В.1, Мищенко В. С.2, Подберезкин Д. А.3, Эм Р. А.4

'Беляев Павел Владимирович /Belyaev Pavel — кандидат технических наук, доцент; Мищенко Владимир Сергеевич /Mishchenko Vladimir — студент-магистр, преподаватель, Омский промышленно-экономический колледж; 3Подберезкин Дмитрий Анатольевич /Podberezkin Dmitry — студент-магистр; 4Эм Роман Артурович / Em Roman — студент, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Омский государственный технический университет, г. Омск

Аннотация: в данной работе построена и исследована имитационная модель источника питания на базе топливного элемента с протонообменной мембраной. В ходе имитационного моделирования в среде MATLAB/Simulink определено влияние изменения входных параметров топливного элемента: скорости расхода топлива, скорости расхода воздуха и рабочей температуры на ток и напряжение,

как самого элемента, так и на ток и напряжение в нагрузке. В завершение представлены выводы о влиянии каждого из исследуемых параметров, на основании результатов моделирования. Abstract: in this work, we constructed and studied a simulation model of the power source on the basis of the fuel cell with a proton exchange membrane. During simulation in MATLAB /Simulink the influence of changes in input parameters of the fuel cell: flow rate, fuel flow rate and air temperature on current and voltage as the actual item, and the current and voltage in the load. In the conclusion findings on the effect of each studied parameter on the basis of simulation results.

Ключевые слова: топливные элементы, протонообменная мембрана, моделирование, ток, напряжение.

Keywords: fuel cells, proton exchange membrane, modeling, current, voltage.

DOI: 10.20861/2304-2338-2016-53-004

Введение

Топливный элемент представляет собой устройство преобразующее энергию химической реакции веществ непосредственно в электрическую энергию, без промежуточных термодинамических процессов преобразования энергии. Топливные элементы, в сравнении с другими источниками электроэнергии, более экологически чистые, а благодаря диапазону мощностей от нескольких ватт до нескольких мегаватт, отличаются и широчайшим спектром своего применения. В настоящее время топливные элементы нашли широкое распространение в транспортных средствах [1].

Среди различных типов топливных элементов, наиболее широко распространенным является топливный элемент с протонообменной мембраной (ПОМТЭ). Новые разработки данного типа элементов сделали его наиболее перспективным для стационарных и мобильных приложений в диапазоне до 200 кВт. Необходимо отметить и то, что в отличие от иных нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, таких как ветроэнергетические генераторы и фотоэлектрические станции, топливные элементы могут быть размещены в любом месте [2, 3].

Изменения входных параметров топливных элементов, должны быть учтены при использовании любого реального устройства или машины.

В работе проведено моделирование влияния изменения нескольких входных параметров на выходные характеристики тока и напряжения топливного элемента с протонообменной мембраной.

Описание имитационной модели

Для исследования работы топливного элемента в среде MATLAB 2014b/Simulink разработана его имитационная модель (рис. 1).

Flaw rate regulator

Рис. 1. Имитационная модель работы топливного элемента

В качестве первичного источника электропитания использован блок Fuel Cell Stack. Вольт-амперная характеристика и зависимость выходной мощности от тока нагрузки, приведены на рисунке 2.

s55 f

45 40

1

■———.1ШД45)

Curre nt(A) Stack power vs cumnt

----------tb.í25«W)

- —^jfSSkW) -

Curre nt(A)

Рис. 2. Вольт-амперная и ватт-амперная характеристика топливного элемента

Регулирование скорости расхода топлива осуществляется с помощью обратной связи. Используя регулятор расхода топлива (Flow rate regulator) поддерживаем в течение первых 10 секунд расход водорода постоянным и приближенным к номинальному значению (Н2 = 99,56%). Далее, регулятор расхода отключается, и скорость расхода топлива увеличивается до максимальной величины в 85 литров в минуту, что осуществляется с использованием блоков Ramp, Flow rate selector, Switch и Saturation [4,5].

Диаграммы генерируемых сигналов изображены на рисунке 3.

375 370 365 360 Temperature (К)

355

350

345

340

335

330

325

320 _,

ю

Time (sec)

а)

14

16

20

10

Time (s ее)

6)

Рис. 3. Диаграммы сигналов, генерируемых блоками Signal Builder 1 (а) и Signal Builder 2 (б)

Кроме того, данная схема включает в себя преобразователь постоянного напряжения, без гальванической развязки, работающий в режиме непрерывных токов [6].

Моделирование электромагнитных процессов

На предварительном этапе выделяем несколько интервалов времени работы источника, определяющих характерные процессы.

1. Т = 0 - 4 с.

Преобразователь DC / DC при Т = 0 с прикладывает к нагрузке 100 В (начальный ток нагрузки 0 A). Потребление топлива возрастает до номинального значения 99,56%. Ток увеличивается до величины 133 A.

T = 4 с.

С помощью построителя сигналов Signal Builder 1 изменяем температуру работы топливного элемента с номинального значения равной 65°С (338 К) до 80° С (353 К) за временной промежуток в 2 с.

T = 10 с.

Расход топлива увеличился с 50 л в минуту (LPM) до 85 литров в минуту в течение 3,5 с. с понижением потребления водорода.

T = 16 с.

За промежуток времени в 2 с., помощью построителя сигналов Signal Builder 2 ступенчато изменяем расход подаваемого в ячейку воздуха с номинального значения 300 л в минуту до максимального значения 500 л в минуту.

Результаты моделирования на временном промежутке 0 - 20 с. приведены на рисунках 4 - 5.

70 ® 60 53 —*tv\' J

43 40

2 4« 10 12 14 1« IS 21

Рис. 4. Напряжение на топливном элементе StacfcOHTHit(A)

Г- _

0 2 4 i 8 10 12 14 16 15 20

Time (5&с)

Рис. 5. Ток на топливном элементе

Выводы

В статье описаны результаты имитационного моделирования топливного элемента с протонообменной мембраной. В процессе исследований, было произведено регулирование скорости расхода топлива, воздуха

и изменение рабочей температуры. По результатам моделирования можно сделать выводы о влиянии

изменения исследуемых параметров на выходные характеристики топливного элемента.

Литература

1. Njoya S. M., Tremblay O., Dessaint L. A. A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell vehicles // Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009. VPPC'09. IEEE. - IEEE, 2009. С. 1722 - 1729.

2. Состояние гелиоэнергетики в мире. Беляев П.В., Комарова Н.Г. Динамика систем, механизмов и машин, 2014. № 1. С. 198 - 202.

3. Belyaev P. V., Sadayev D. S. Comparing indices characterizing nonsinusoidality of supply voltage (2015) 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, Dynamics, 2014. Proceedings, art. no. 7005637.

4. Friede W., Raël S., DavatB. Mathematical model and characterization of the transient behavior of a PEM fuel cell // Power Electronics, IEEE Transactions on, 2004. Т. 19. № 5. С. 1234 - 1241.

5. 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.

6. Hamelin J. et al. Dynamic behavior of a PEM fuel cell stack for stationary applications // International Journal of Hydrogen Energy, 2001. Т. 26. № 6. С. 625 - 629.

Recommender systems "Entrant" for reception of high school committee Mityanina A.1, Gazha K.2 Рекомендательная система «Абитуриент» для приемной комиссии вуза Митянина А. В.1, Гажа К. В.2

1Митянина Анастасия Владимировна /Mityanina Anastasiya — преподаватель;

2Гажа Константин Владимирович / Gazha Konstantin — студент, кафедра информационных технологий и экономической информатики, Институт информационных технологий, Челябинский государственный университет, г. Челябинск

Аннотация: в статье описывается концепт рекомендательной системы для выполнения качественного набора абитуриентов во время приемной кампании Института информационных технологий Челябинского государственного университета. Она будет прогнозировать вероятности поступления абитуриентов на выбранные ими направления обучения, и классифицировать их на определенные группы с помощью математико-статистических методов анализа данных. Члены приемной комиссии смогут акцентировать своё внимание на наиболее предпочтительной группе абитуриентов. В статье также приводится обзор аналогов данной системы.

Abstract: in this article describes a concept of a recommendation system for Institute of information technologies of Chelyabinsk State University, which could help to manage their recruitment efforts much better. It will predict the probabilities of school-leavers' admission in order to their chosen directions of study and classify them into certain groups with the help of mathematical and statistical methods of data analysis. Members of the admissions office will be able to focus its attention on the most preferred group of matriculants. There is a review of analogues in this article.

Ключевые слова: анализ данных, приемная кампания, абитуриенты, классификация. Keywords: data-mining, admissions office, school-leavers, classification.

В Российской Федерации государственные университеты предоставляют возможность студентам учиться на бюджетной основе. Как правило, количество абитуриентов, желающих поступить на бюджетные места обучения, гораздо больше числа выделяемых мест, из-за чего существует конкурс среди абитуриентов.

В соответствии с законом об образовании РФ, абитуриент имеет право подать наравне с оригиналом копии своих документов, но не более чем в пять вузов. В связи с этим приемная комиссия университета не может знать наверняка, какой из вузов в конечном итоге выберет абитуриент. Более того, в рамках одного университета абитуриент может выбрать не более трёх направлений обучения. При подаче заявления на поступление, абитуриент определяет приоритеты направлений, в которых он заинтересован. В случае если он выигрывает конкурс на бюджетное место и желает учиться в этом университете, абитуриент подает оригиналы документов.

Абитуриенты, которые набрали большой суммарный балл, с большой вероятностью попытаются поступить в более престижные университеты страны, а для подстраховки подадут копии документов