CC BY
164
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Применение топливных элементов с протонообменной мембраной Беляев П. В.1, Подберезкин Д. А.2
'Беляев Павел Владимирович /Belyaev Pavel Vladimirovich - кандидат технических наук, доцент; 2Подберезкин Дмитрий Анатольевич /Podberezkin Dmitrii Anatolevich — магистрант, кафедра электрической техники, факультет элитного образования и магистратуры, Омский государственный технический университет, г. Омск
Аннотация: в статье рассматриваются топливные элементы различной химической природы. Дана упрощенная классификация топливных элементов, кратко проанализированы достоинства и недостатки каждого типа, их характеристики и принцип действия. Определены наиболее эффективные для конкретных областей электроснабжения.
Ключевые слова: топливный элемент, топливная ячейка, водород, электрохимическая реакция, протонообменная мембрана.
В настоящее время энергия является своего рода источником жизни для современного общества. Логично предположить, что с прогрессом общества растет и потребность в увеличении производства энергии [1-2]. На данный момент эта потребность чаще всего удовлетворяется посредством использования ископаемых источников энергии, таких как нефть, газ, уголь и др. [3]. Но это всего лишь временное решение, так как выбросы при переработке данного топлива оказывают огромное негативное воздействие на окружающую среду, да и сам топливный ресурс ограничен.
Решение этих проблем с помощью возобновляемых источников энергии также затруднительно из-за ряда их недостатков, таких как низкий КПД, привязанность к особым природным условиям, необходимым для нормальной работы источника, сложности при интегрировании их в большие энергосистемы.
Решением проблемы энергоснабжения вполне могут стать топливные элементы. Так как они обладают широкой областью применения и по сравнению с другими преобразователями энергии отличается рядом преимуществ. К ним относятся высокий суммарный КПД и простота конструкции.
Приоритетное значение имеет их экологичность и практически отсутствие вредных выбросов в окружающую среду.
Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, схожее с гальваническим элементом. Однако разница между ними в том, что в топливный элемент вещества для протекания электрохимической реакции подаются, а не содержатся в нем изначально. Он способен функционировать до тех пор, пока не прекратится подача топлива и окислителя от внешнего источника.
Принципиальная схема топливного элемента показана на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема топливного элемента
Атомы топлива, поступающего на анод, делятся на протоны и электроны. Электроны двигаются по внешней цепи к катоду, создавая постоянный электрический ток. Протоны двигаются к катоду, но
проходя через электролит. На катоде протоны и электроны соединяются с окислителем с образованием воды. Продуктами данной реакции являются тепло и водяной пар.
В настоящее время разработаны и активно используются несколько типов топливных элементов:
- щелочные топливные элементы (Alkaine Fuel Cells , AFC);
- топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC);
- топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC);
- топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC);
- твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) [4].
Рассмотрим топливные элементы с протонообменной мембраной как наиболее перспективные на
настоящий момент. Этот тип топливных элементов относится к низкотемпературным элементам (рабочая температура до 100°С). К особенностям топливных элементов с протонообменной мембраной относятся высокая плотность энергии и быстрое изменение производительности. В настоящее время эффективность некоторых PEMFC доходит до 70-80 %, т. е. примерно в два раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, если использовать выделяемое при работе тепло.
Сочетание высокой энергетической плотности, низкой температуры и практически отсутствия выбросов загрязняющих веществ дает тенденцию для расширения использования топливных элементов с протонообменной мембраной в автомобилях и для жилых помещений.
Ресурс работы такого элемента составляет 20 000 часов в стационарных и 5000 часов в мобильных установках [5].
Ячейка данного топливного элемента (Единичная ячейка PEMFC показана на рисунке 2) скомпонована из пакета последовательно собранных мембран и электродов, сжатых через уплотнительные элементы силовыми пластинами с токосъемными элементами. На концах ячейки расположены концевые пластины (графитовые электроды) с газовыми каналами.
газодиффузная подложка
графитовый тефлоновая мембрана с тефлоновая графитовый электрод прокладка катализатором прокладка электрод
Рис. 2. Единичная ячейка PEMFC [6]
Замена жидкого электролита протонообменной мембраной значительно упростила технологию изготовления всей конструкции. Но вместе с этим к ним выдвигаются особые требования. Мембраны должны обладать высокой ионной проводимостью, малой газопроницаемостью, высокой механической прочностью и отсутствием электронной проводимости.
Толщина мембраны составляет 0,3-0,9 мм. Она контактирует с основной частью поверхности электрода. От контакта мембраны с электродом зависит величина внутреннего сопротивления топливного элемента. Топливо и окислитель подаются через специальные каналы в корпусе. В качестве катализатора используется платина и палладий, что значительно удорожает конструкцию, но позволяет добиться плотности тока на уровне 300-500 мА/см2, при этом величина максимального падения напряжения приблизительно равна 30 % [6].
На рисунке 3 приведена принципиальная схема топливного элемента с протонообменной мембраной.
Рис. 3. Принципиальная схема PEMFC
Реакции, происходящие в ячейке, описаны следующими формулами:
На аноде:
Н2 ^ 2Н+ + 2е (1)
На катоде:
'/202 + 2Н+ + 2е ^ Н20 (2)
Суммарная реакция в РЕМЕС топливном элементе:
Н2 + [/202 ^ Н20 (3)
К недостаткам этого типа элемента относят чувствительность к примесям в топливе, невозможность использования вырабатываемого тепла [7].
Топливные элементы служат источником энергии для компьютеров и телефонов, промышленных объектов, домов и автомобилей, железнодорожного транспорта, морских судов, самолетов и космических кораблей. Именно топливные элементы могли бы разрешить проблему электроснабжения регионов, не присоединенных к единой электросети, что составляет около 60 % территории страны.
В основном все исследования в данной области находятся на стадии НИОКР или находят узкое применение для специальных разработок. К сожалению, о широкомасштабном производстве пока речи не идет.
После проведения анализа современного состояния разработок в области топливных элементов можно прийти к выводу, что на данный момент наиболее часто топливные элементы используются для энергоснабжения стационарных установок малой и средней мощности, а также для электроснабжения автомобилей и портативной электроники.
Для потребителей малой мощности, таких как портативная электроника, более эффективны топливные элементы с протонообменной мембраной.
Литература
1. Комарова Н. Г. Состояние гелиоэнергетики в мире / Н. Г. Комарова, П. В. Беляев // Динамика систем механизмов и машин, 2014. № 1. С. 198-202.
2. Соболев А. В., Беляев П. В. Обзор гелиоэнергетики в России / А. В. Соболев, П. В. Беляев // Динамика систем механизмов и машин, 2014. № 1. С. 194-198.
3. Гольцов В. А. После Вернадского: синергизм биосферы и виртуальность водородной цивилизации / В. А. Гольцов, Л. Ф. Гольцова // Альтернативная энергетика и экология, 2013. № 2. С. 10-27.
4. RevankarS. T., MajumdarP. Fuel cells: principles, design, and analysis. CRC Press, New York, 2014.
5. Hwang J. J. Review on development and demonstration of hydrogen fuel cell scooters // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012. Т. 16. №. 6. С. 3803-3815.
6. Билоненко Р. А. Современное состояние и перспективы развития топливных элементов // Авиационно-космическая техника и технология, 2013. №. 6. С. 83-93.
7. Романов А. Д., Чернышов Е. А., Романова Е. А. Сравнительный обзор и оценка эффективности воздухонезависимых энергетических установок различных конструкций // Современные проблемы науки и образования, 2013. №. 6. С. 67.
Реализация в среде Labview метода многочастотного анализа активной электрической мощности Кузнецов Д. В.1, Моргунов Г. Н.2
'Кузнецов Денис Валерьевич /Kuznetsov Denis Valerevich — студент;
2Моргунов Георгий Николаевич /Morgunov Georgy Nikolaevich - доцент, кафедра медико-технического менеджмента, Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, г. Москва
Аннотация: в данной работе описана модель реализации метода многочастотного анализа активной электрической мощности, потребляемой электроакустическим преобразователем ультразвукового аппарата для обработки ран при синдроме диабетической стопы и реализация его в среде Labview. Ключевые слова: синдром диабетической стопы (Diabetic foot syndrome), лечение (treatment), диабет (diabetes), ультразвук(ultrasound), обработка(processing), сигнал(signal), мощность(power).
УДК 621.382
Введение.
Обработке ран при синдроме диабетической стопы нужно уделять большое внимание. Обработка дна раны переводит рану из состояния хронической раны в состояние острой и способствует активации эндогенных процессов регенерации тканей. Обработки необходимы из-за ряда причин. Прежде всего, наличие некротических тканей и пленки фибрина является потенциальным субстратом развития инфекционных осложнений. Кроме того, клеточные линии, находящиеся в крае хронической раны, претерпевают фенотипичную трансформацию, ведущую к нарушению процессов регенерации [2, с. 4].
Одним из методов для очищений ран при синдроме диабетической стопы является низкочастотный ультразвук. В работе [2, с. 6] описывается процесс очищения ран с помощью ультразвукового аппарата. Также при ультразвуковой обработке УЗ наблюдаются различные биологические и физические явления, которые положительно отражаются на лечении больного, которые очень подробно расписаны в работе [3, с. 5].
Одним из факторов, определяющим эффективность лечебного воздействия при ультразвуковой хирургии и терапии, является соответствие амплитуды механических колебаний рабочей части ультразвуковой колебательной системы механоакустическим характеристикам биологической ткани.
Численным критерием эффективности лечебного воздействия является акустическая мощность, пропорциональная произведению амплитуды механических колебаний рабочей части и импеданса биологических тканей.
Существующие методы измерения не позволяют, в достаточной мере, динамически контролировать акустическую мощность в процессе проведения ультразвуковых хирургических вмешательств.
В основе разработанного метода лежит многочастотный анализ активной электрической мощности, потребляемой электроакустическим преобразователем. В качестве математической модели для расчета активной электрической мощности использовалась эквивалентная схема замещения электроакустического преобразователя и биологических тканей, приведенная к электрической стороне.
Алгоритм расчета максимальной амплитуды напряжения обратной связи.
Для поддержания эффективности лечебного воздействия необходима компенсация изменений акустического импеданса зоны взаимодействия зоны - ультразвуковой инструмент - биоткань. Одним из способов компенсации является динамическая подстройка амплитуды и частоты ультразвукового воздействия на основе анализа значений акустической мощности.
Известно, что при изменении механических характеристик на выходе происходит изменение электрических характеристик на входе системы, а значит, об изменении механических характеристик биоткани можно судить по изменению электрических характеристик системы и в частности пьезоэлектрического преобразователя. Данная работа подстройки частоты и амплитуды на основании анализа активной мощности.
