CC BY
91
УДКМ'А68:М4.6!>
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПРОТОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ
П В. Белаео1, В. С. Мшцеикс2, Д. А. Подберезкин1, Р. А Эм1 'Омский ¿¡псуНаргтллнчый пипгничлскпй учиявреитвт, г. 0\<с\, Рпссия 2Омский npOMbJlWMMhO-ZXGHOMUVOCKltU ХОЛМдЖ, s. Омск, Россия
Аннотация Построена нмнтаиноппая модель источник"» питания па ociiodc топ.ишпсго хлемепта с протоноооменнон мембраной. В холе моделирования в среде \IATLAB Sim.iliuk определено вднянне изменения входных параметров топливного элемента: скорости расхода топлива, скорости расхода воздуха н рабочей температуры на ток к напряжение, как самого топливного элемента, так и на ток п напряжение нагрузки, так :ке рассмотрены химические реакции в источнике питания. В заключение представлены выводы о влиянии каждого из исследуемых параметров топливного элемента на выходные данные, (кнмканнмр на [ipiy. iKiaiav ими i анионном) м11ц-.1п]н1клним к i'Jip.ih MAT1.AR SiiniilinL.
Ключевые слова: моделирование, топливные элементы, протоноооменная мембрана.
I. Rrf.tfhhf
Топлнопые элемент - альтернативный петрацициоииый источник энерпш. который имеет большие пер спекгнвы для широкого внедрения в распределенную сеть генерации электроэнергии. Топливный элемент - эте источник энергии, производящий ее нсключг-пельио за счет процесса химической реакции топлива, без прямого процесса сжигания, что минимизирует выороеь: побочных продуктов з атмосферу и делает тепливные элементы более экологически бе-опасными по сравнению с традиционными источниками энергии. Отличительной особенностью также является и широкий диапазон мощностей. Топливные элементы могут сыть использованы, ыгшрмздер, а качл: ш? ноу наивней сиашы . льия паи аварийною ncioimuia »кериш во времх джиганыл пересоео олектроешбжегшя. Их можно нслользозагть а как oeiroDiiofi источит эиерлш для домоз. бодьшщ. фг.иприиий и нагглгнных пунк кж нг скчс;нных г г диной ржпргдглтглкной гнпгмой ^пгщикнаЬжг'ним и
как рг^гряньгй амриинмк ИГТОЧНИК ПТТ,'ни я при нарутпгнии ф унят {ПО ниро R1ИИ 9 т-гнтрлттичонлнной гигтгмьт электроснабжения [ 1 ].
и. 110CIAIIODXA ЗАДАЧИ
Необходимо разработать имитационную модель установки, с топливным элементом в качестве источника ?лг»гтрошгг1ния, к сргдг MATT АП 901 -ib/SInril irdc Модспироклнис R данной грсдг ттри лзменмппг парлтлстрон позволит полултпъ данные. на оспсвагаш которых можно будет сделать выводы о степени влияния пзмепешя каждого из входных параметров на выходные характеристики топливного элемента с протонообменной мембраной н его внутренних XHMOTCСКИХ происосоз.
Ш. Теория
'ГСШЛНВВЫС элементы С ПрСТОНООбмСКНОЙ МСМбраНОЙ.
В настояпее время наиболее широкое распространение получили топливные элементы с протокообменнон МГмбрЛНОИ (TTOMTD) ОТЛТКНИТГТТКНОЙ ОСобсННОСТЬЮ данного титтг ЗЛГМГНТОК ЛШТЯГТГЧ ННГ.ОКЙ1 .»ффсктиннпстъ, нааелаюсть н долговечность. Необходимо отметать также. что ПОМТЭ обладают н самой высокой плотностью мощности среди всех топливных элементов [4-6].
Структурно топливный элемент с претонообмеинон мембраной представлен на рнс. 1.
внеимя; Х1зстр§1че<гая ЦГПЬ
J \
1 \
гилрокскл
HÖJIU
-> 1 1
остати —.
е _^ С
анод пектрзпнт епш
Рис. I. Структурная схема ПОМТЭ[1]
Химнчсскнс реакции, протекающие з ячейке ПОМТЭ. описываются следующими уравнениями:
Реакция на аноде:
Н> —* 2Н4" — 2е (1)
Реитим на 1.;иоде.
У2О1+ 21Г- 2с >Н20 (2)
Общая химическая реакнкя топливного элемента с протонообменнон мембраной:
ТТ2 I %02-»ТГ20 О)
В ряде опубликованных работ было проведено моделирование работы топлизкых элементов, в том числе и ПОМТЭ, в нормальных условиях с номинальными каталожными -значениями, но лишь немногие из них учитывают влияние изменения параметров топлизного элемента па его работу. Исследования о данном иаправлешш необходимы для улучшения характеристик элемента и стабильности его работы.
Расчет напряжения
Основными выходными параметрами любого источника электрической энергии являются ток и напряжение. Выражение для выходного напряжения топливного элемента можно пс лучить, используя уравнение IIepHCia(4). а также принимая во внимание потери напряжения [2]. Уравнение Нернста
EHmcrn =ff + ^(r-re„)+f [1п(Ян-) + |1п(Ра2)], (4)
ГД« ЕнфВЯ — 11ИДГ-НИГ 1ГрМС»ДИНИМИЧГЧММО ИШСНЦИМЛИ УЧГЙНИ (R)
AG - изменение свободной энергии Г ибо: а реакции (Дж / моль): F - постоянная Фарадея (96185.309 Кл / Моль); AS — шмгигниг1 :)Н1]ишии ргтнции (Дж ' мил к), R- универсальная газовая постоянная (S3143 Дж мель.' К); Рн; - парциальное давление Бодорода внутри элемента (атм); 1}о: парциальное давление кислорода внутри элемента (атм): Т — рЛ1*1Ч.1Н irr.llirjlif lyjlil (К")
TV11- опорная температура (К).
В топливном элементе присутствует несколько видов потерь напряжения, каждый из которых влияет на лттргдглгнную оГитастъ ко.тът-лмттгрнгй хдрактгригтики
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) единичной ячейки топливного элемента представлена на рис. 2.
Рис. 2. ВАХ единичной ячейки топливного элемента
Первая область представляет собой падение напряжения активации (V«,). причиной которого служит низкая скорость химических реакции, происходящих в электродных поверхностях. В зависимости от температуры, рабочего давления, типа электрода и использованного катализатора, эта область явлиется более или менее шн рокей
В: орал обласг* иредешкшмгг собой активны? иопгри (V,^,.^) hj-jh ьнутргьнпо соирогиииеннл 6адарен хои-лнвкых элементов.
Наконец, третья область описывает потери переноса масс в результате изменения концентрации реагентов (Умяк)* таких как используемое топливо [3].
После рассмотрение всех видов потерь следует записать уравнение выходного напряжения топливного элемента (4)
^ ТЭ — ЕнерЕсг — ^ air — V in.ioT — "V юнп (5}
Описай не модели
Для проведения исследования к получения экспериментальных данных неосходимо собрать имитационную модель установки с топливным элементом в качестве источника электропитания в среде MATLAB 2014b.'Simuiiak. Моделирование в данной среде позволит получить данные, на основании которых межно будет
gVJH'h пхгиппкунициг чыколы и кгличнне кликним и.чигнгнич каждого ин нходнмх n.-qi;i\ir цнж нл кыходнмс характеристики топливного элемента с протокоебменнен мембраной. Имитационная модель установки с ПОМТЭ представлена на рис. 3.
=cwratrrcjuaor
Рис. 3.11мита:тионнг,я модель установки с 11ÜMTÜ
Тоилинный :члгмгн1 г. iipi ионообменной мгм(>;:иной к данной модели рг-шичокин Гшоним Fuel Г!г11 Slark F.m волл>т-ампсрная н ватт-амперная характеристики приведены на рис. 4.
Stack i/ouage v» curr»nt
ППРП;А)
Рнс Л Вольт амперная п ватт амперная характеристики ПОМТЭ
Автоматическое изменение скорости расхода топлива производится применением обратной связи. Применение регулятора расхода топлива (Flow rato rogulatcr) обеспечивает расход толлнЕа на постоянном ypORKC до момгнтл ггп отключения, после чета происходит упетттгчение пгорогти рлгходл топптвл .то млкси-
мальпого опачеик d S5 л^шш f 7-8]
rki fcw iac itn; __
-
-OlatCHcercy^P'
Scepc-
TTjMHlWr. К'ЧМГНГННМ |1и6(1ЧГЙ -IfMlirjMiyptl И ГКО]КН"ГИ риг ходя нивухи К ШНЛИКНПМ -UirUrHir П1|>ГДГ11УЮ гг.и
управляющими сигналами, ф-эрмиру емыми блоками Temperature Signal Builder н Air Row rate Signal Builder соответственно.
Дижриммы 1ГНГ|)И]]уГиЫХ ('.HIНИЛПК ИЧОПрИ *.Г HHI НИ [)Hi: 5
375 3?0 365 360 355 350 345 340 335 330 325 320
550 5Э0 450 4Э0 350
3D0 250
Ti-mjiwnifi" ^TC)
'_
10
Tone (sec} a)
12
14
16
IS
20
An Flew R¿le (lpm)
2 4 6 i 10 12 14 16 !S 20
Time (a«)
6)
Phc. 5. Дкаграм%ш сигналов, генерир^-ексых блоками Temperature Siflaal Builder (a) и Air Flew rate Signal Builder (6)
Таклсе d имитацпоипую модель пюпочеи блок повышающего преобразователя постоянного напряжения DC/DC. который позволяет повышать номинальное напряжение топливного элемента 45 D до уровня 100 D. необходимого для кагрз'эки [9].
Мш)г.1Ну1МПН1ИГ
Процесс моделирования можно разделил, на несколько основных этапов:
1. Т ~ 0 с, DC ) DC преобразователь нагружается посредством RL и подает напряжение 100 В (начальный
гик н;иручки 0 А) Пшргилгниг птлини кп^игглгг до номинильнош чничгнии 99 5i>% То* ширапиггг дп А. Скорость потока автоматически устанавливается с целью поддержания но >. опального использования топлива. Инковос напряжение 122 В в начале моделирования вызвано переходным состоянием регулятора напряжения [10]
2. т ~ 1с, d работу включается блок Тетчрсгагиге Signal Builder и подает сигнал на изменение рабочей тем пературы ПОМТЭ от номинального значения 338 К до 353 1С на временной интервал в 2с Данные изменения
приЕодяп к падению напряжения в топливном элементе с номинального значения 45 В до 43,7 В и росту тока до величины 137 А.
3. Т - 10 с, отключается регулятор скорости расхода топлива и в течение 3,5 с происходит noereneinioe увеличение скорости расхода топлива от 50 до ВЬ л'мнн. '^то вызывает больше о напряжения Нсрнста. так что ток топлизного элемента Будет уменьшаться. Поэтому потребление ячейки и ее эффективность снизится [11].
4 Т — 16 f., к риПшу кк. 1Н1чит г.я Gjkik Air Flfjv/ rat к Sigriril Buihlur и ппдигг г.ш на.1 ни ичмгнгниг ск.и}кмп~и расхода воздуха на временной интервал в 2 с oi номинального значения 300 л/мин до максимального - 500 л/мин. Это приводит к незначительному увеличению напряжения на несколько десятых вольта н к такому же незначительному снижению тока. А также к протекашпе переходных процессов па преобразователе папряже кия з момент регулирования [12].
Результаты моделирования на всех вре-менных интерва лах изображены на рисунках 6-11
Stack \ oltage CV)
6 8 10 12 lime ее)
Рис. б. Напряжение на топливном элементе
Stack Curr?nt (А)
6 8 10 12 Г»»«
1*кс. /. Ток на топливном элементе
14
15
18
20
DC Bus Volttgt (V)
-1-1—i
120
315
110
105 100
95
70 60 50 40 30 20 10 О
10
Tone(»ec)
u
16
Рис. £. Выходное напряжение на преобразователе DC/DC
DC bus currcnt (Л)
is
JO
100 90 80 л» ЙО 50 10 30 20 10 0
10
Тиле (sec)
12
14
16
Рис. 9. Выходной ток на преобразователе DC/DC S tact Efficiency (Ус)
IS
23
10
Taue (sec)
12
16
Pec. 10. К11Д топливного элемента с протокообменной мемораион
ГУ Результаты экспериментов
Было выявлено, что Hi рассмотренных вариантов регулирования больше всего на величину выходного напряжения и тока повлияло изменение скорости расхода топлива. В свою очередь, изменение скорости расхода воздуха на них практически не повлияло
v. Обсуждение результатов
По результатам моделирования установки при изменении параметров мы получили данные, на основании которых можно сделать выводы о степени влияния изменения каждого m входных параметров на выходные характеристики топливного элемента с протонообменной мембраной я его внутренних химических процессов.
VI ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье была рассмотрена имитационная модель работы топливного элемента с протонообменной мембраной на постоянную нагрузку. Используя данную модель, было осуществлено изменение скорости расхода топлива и воздуха, а также регулирование рабочей температуры в отдельные временные интервалы. Проанализировав результаты исследования, можно сделать соответствующие выводы о характере влияния изменения исследуемых характеристик на выходные параметры ПОМТЭ.
список литературы
1. Беляев П. В.. Подберезкин Д. А. Применение топливных элементов с протонообменной мембраной Н Вестник науки и образования. 2016. № 5(17). URL: http:VscieiitificjomrMl.nv'a.,,109-tek,,203-pruneneiiie-topli^"u>4di-elementov-s-protonoobruennoj-meiiibianoj.html (дата обращения: 30.05.2016)
2. Najafizadegan H.. Zarabadipour H. Control of voltage in proton exchange membrane fuel cell using model reference control approach// Lit. J. Electrocliem. Sci 2012. T. 7. C. 6752—6761.
3. Baliwal M. K. et al. Modeling and Simulation of Solid Oxide Fuel Cell Based Distributed Generation System // International Journal of Engineering Research and Technology. ESRSA Publications. 2013. Vol. 2, no. E.
4. Samosir A. S., Sutikno Т.. Yatirn A. H. M. Dynamic evolution control for fuel cell DC-DC converter // TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronics and Control). 2011. Vol. 9, no. 1. P 183-190.
5. Maggio G.. Recupero V.. Pino L. Modeling polymer electrolyte fuel cells: an innovative approach // Journal of power sources 2001. Vol. 101. no. 2. P 275-286.
6. Friede W.. Rael S.. Davnt B. Mathematical model and characterization of the transient behavior of a РЕМ fuel cell // Power Electronics, IEEE Transactions on. 2004. Vol.19, no 5. P. 1234-1241
7. Lee J. M.. Clio В. H A dynamic model of a РЕМ fuel cell system // Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2009. APEC 2009. Twenty-Fourth Annual IEEE 2009 P. 720-724.
8. Hamelm J. et al. Dynamic behavior of a РЕМ fuel cell stack for stationary applications H International Journal of Hydrogen Energy 2001. Vol. 26. no 6. P. 625-629.
9. Riascos L A. M , Simoes M. G., Mryagi P. E. On-line fault diagnostic system for proton exchange membrane fuel cells U Journal of Power Sources. 2008. Vol 175. no.l P. 419-429.
10. Njoya S. M.. Tremblay O., Dessaint L. A A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell vehicles ft Vehicle Power and Propulsion Conference. 2009. VPPC 09. IEEE. 2009 P. 1722-1729.
11. Вихарев H H. [и др ] Моделирование работы автономного источника электропитания в среде MatLab/ Simulink.
12. 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.
