CC BY
0
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2025. No 1
Научная статья УДК 621.35.035
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2025-1-90-95
Оптимизация конструкции биполярной пластины водородно-воздушного топливного элемента
Н.А. Фаддеев1, А.В. Серик1, Л.Н. Фесенко1, Ю.А. Добровольский2, Н.В. Смирнова1
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск, Россия, 2ООО «Центр водородной энергетики», г. Черноголовка, Россия
Аннотация. Изучено влияние геометрических параметров каналов биполярной пластины на газодинамические характеристики. С применением программного комплекса COMSOL Multiphysics разработана модель биполярной пластины с каналами охлаждения закрытого типа для водородно-воздушного топливного элемента. Установлено оптимальное соотношение ширины канала и ширины ребра канала биполярной пластины, обеспечивающее равномерное распределение газов-реагентов и позволяющее минимизировать сопротивление всем потокам, а также эффективно отводить продукты реакции и теплоту.
Ключевые слова: топливный элемент, биполярная пластина, геометрия подводящих каналов
Благодарности: статья подготовлена при поддержке ООО «Центр водородной энергетики» (договор N° 749-ЮУ).
Для цитирования: Оптимизация конструкции биполярной пластины водородно-воздушного топливного элемента / Н.А. Фаддеев, А.В. Серик, Л.Н. Фесенко, Ю.А. Добровольский, Н.В. Смирнова // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2025. № 1. С. 90-95. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2025-1-90-95.
Original article
Optimization of the design of a bipolar plate of a hydrogen-air fuel cell
N.A. Faddeev1, A.V. Serik1, L.N. Fesenko1, Yu.A. Dobrovolsky2, N.V. Smirnova1
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2LLC «Hydrogen Energy Center», Chernogolovka, Russia
Abstract. The results of a study of the influence of geometric parameters of bipolar plate channels on gas-dynamic properties are considered. The COMSOL Multiphysics software package is used to develop a model of a bipolar plate with closed cooling channels for a hydrogen-air fuel cell. The optimum ratio of channel width to channel rib width of the bipolar plate is determined to ensure uniform distribution of the reactant gases, minimise resistance to all flows, and effectively remove reaction products and heat.
Keywords: fuel cell, bipolar plate, rib and channel geometry
Acknowledgments: article was prepared with the support of LLC "Center for Hydrogen Energy" (contract No. 749-YU)
For citation: Optimization of the design of a bipolar plate of a hydrogen-air fuel cell / N.A. Faddeev, A.V. Serik, L.N. Fesenko, Yu.A. Dobrovolsky, N.V. Smirnova. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2025;(1):90-95. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2025-1-90-95.
© Фаддеев Н.А., Серик А.В., Фесенко Л.Н., Добровольский Ю.А., Смирнова Н.В., 2025
90
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2025. No 1
Введение
Системы энергопитания на основе водо-родно-воздушных топливных элементов (ТЭ) являются перспективными экологически чистыми источниками энергии [1]. Они более эффективны по сравнению с традиционными источниками энергии и обеспечивают нулевую эмиссию СО2, так как единственным продуктом электрохимических реакций между молекулами водорода и кислорода является вода. А масштабирование мощности в широком диапазоне позволяет применять такие системы энергопитания в различных приложениях [2].
Важнейшим компонентом единичного ТЭ является биполярная пластина (БП), которая составляет более 50 % массы и более 30 % стоимости ТЭ [3]. В ТЭ биполярная пластина отвечает за качество электрического контакта между единичными ячейками ТЭ, равномерности распределения топлива и окислителя, отвода тепла, механической прочности конструкции стека ТЭ. При этом эффективность работы систем энергопитания на ТЭ требует минимизации сопротивления всем транспортным потокам, что зависит от архитектуры газовых каналов в БП. Снабжение топливом и окислителем, водный и тепловой баланс напрямую связан с геометрической формой газовых каналов. Требования к материалу и конструкции биполярных пластин очень высоки и должны учитывать электро- и теплопроводность, газопроницаемость, коррозионную стойкость [4].
Основная задача проектирования полей потока состоит в достижении максимально возможной однородности реагентов в активной области единичной ячейки ТЭ [5]. Несмотря на то, что известны различные конфигурации схем полей потока (змеевидная, каскадная, встречная и их комбинированные версии [6]), наиболее эффективной является параллельная схема потока в подводящих каналах БП, ввиду малого перепада давления на входе и выходе из стека ТЭ и более равномерного распределения топлива и окислителя [7]. Особое внимание стоит уделить геометрическим параметрам подводящих каналов БП. Помимо подвода топлива и окислителя каналы БП обеспечивают механическую поддержку мембранно-электродного блока (МЭБ), исполняют роль коллекторной пластины и соединяет единичные ТЭ между собой [8, 9]. Стоит отметить, что наилучшая производительность стека ТЭ достигается с каналами прямоугольного
поперечного сечения [10]. Для достижения максимальной производительности стека ТЭ необходимо учитывать внутреннее давление газов-реагентов, оказывающее влияние на их диффузию к зоне протекания электрохимической реакции [11].
Цель настоящего исследования - оптимизация геометрических параметров газовых каналов БП. В настоящей работе рассмотрено влияние этих параметров каналов БП на газодинамические характеристики.
Материалы и методы
Исследование процессов газодинамики произведено с помощью системы автоматизированного проектирования COMSOL Multiphysics®. Биполярная пластина состоит из анодной и катодной частей с каналами охлаждения закрытого типа. Каждая из частей имеет внешнюю и внутреннюю стороны, на которые нанесены различные схемы полей потока (рис. 1).
Р к - канал р - ребро
б в
Рис. 1. Биполярная пластина с каналами охлаждения закрытого типа: а - внешняя сторона; б - внутренняя сторона; в - конфигурации ребер и каналов на внешней стороне БП
Fig. 1. Bipolar plate with closed-type cooling channels: a - outer side; б - inner side; в - configurations of ribs and channels on the outer side of the BP
На внешней стороне нанесена змеевидная схема газоподводящих каналов, на внутренней стороне нанесена параллельная схема каналов биполярной пластины. Соединение внутренних сторон анодной и катодной частей БП образует внутри биполярной пластины закрытый контур охлаждения. Герметизация внутреннего пространства биполярной пластины осуществлена с помощью специального адгезива. На внешней стороне биполярной пластины установлены уплотняющие элементы для герметизации анодного и катодного пространств при сборке с
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2025. No 1
мембранно-электродным блоком. Подача водорода и окислителя обеспечивается через технологические отверстия, герметизированные специальными уплотнениями. Охлаждение биполярной пластины осуществляется по внутреннему контуру с помощью охлаждающего агента (воздуха). Для оценки газодинамических характеристик и оптимизации конфигурации каналов биполярной пластины высота канала оставалась постоянной (1 мм), варьировалось соотношение ширины канала Ьк и ребра Ьр в диапазоне от 0,5 до 3.
Газодинамические процессы описываются с помощью уравнений:
- Пуазейля, для расчета сопротивления в каналах
8^
лт
- Дарси, для расчета протекания жидкости через пористую среду
КА(р -Р,).
во --
- Навье-Стокса
цЬ
УР = цУи,
где Rп - сопротивление канала, (Пас)/м3; п - динамическая вязкость электролита, Пас; L - длина канала, м; Гк - радиус канала, м; Q0 - объемный
расход через пористую среду, м3/с; K - коэффи-
" 2
циент проницаемости пористой среды, м2; A - площадь поперечного сечения, м2; P\, P2 - давления на концах пористой среды, Па; P - давление жидкости, Па; u - скорость жидкости, м/с.
Моделирование проведено при следующих условиях:
- тепловыделение - 50 % от номинальной мощности ТЭ;
- окислитель/охлаждающий агент - воздух;
- атмосферное давление - 1 атм., 101325 Па;
- температура окружающей среды 30 °С;
- влажность окружающей среды 75 %;
- материал БП - титан;
- коэффициент теплопроводности материала 18,85 Вт/(мК).
Сделан ряд допущений, упрощающих расчеты:
- ТЭ работает в установившемся режиме;
- биполярная пластина и мембрана газонепроницаемы;
- газовые реагенты рассматриваются как несжимаемые идеальные газы, их течение ламинарное, а физические свойства остаются постоянными;
- электрохимическая реакция происходит на границе раздела мембраны и газодиффузионного слоя;
- вода всегда находится в газообразном состоянии без каких-либо фазовых переходов.
Точность моделирования контролировалась на основе стандартного приема сравнения результатов расчета при разных шагах разбиения расчетной области, а также на модельных упрощенных задачах.
Результаты и обсуждение
Изменение соотношения Ьк/Ьр оказывает влияние на скорости потока топлива и окислителя, перепад давления, удаление образующейся воды, распределение температуры в ТЭ [12]. Газоподводящие каналы обеспечивают доставку и равномерное распределение топлива и окислителя, в то время как ребра каналов необходимы для сбора и передачи тока от одной ячейки ТЭ к другой, а также для передачи теплоты, образующейся в результате электрохимических реакций. Таким образом, широкий канал будет обеспечивать хороший менеджмент реагентов и продуктов реакции, а широкий участок между ними должен обеспечивать хорошую электро- и теплопроводность, а также механическую прочность.
Конструктивным требованием при проектировании биполярных пластин всегда является равномерное распределение газов реагентов, минимизация перепада давления в полях потока, чтобы облегчить рециркуляцию топлива и окислителя. На рис. 2 показано влияние изменения отношения Ьк/Ьр на давление и распределение газов реагентов в каналах биполярной пластины.
Наилучшее распределение газов реагентов наблюдалось при соотношении Ьк/Ьр = 1. Увеличение диффузии газов-реагентов в газодиффузионном слое МЭБ связано с увеличением коэффициента диффузии при данном соотношении Ьк/Ьр, что приводит к улучшению массо-переноса и положительно сказывается на производительность ТЭ [13]. Таким образом, оптимальное соотношение ширины канала Ьк и ширины ребра канала Ьр биполярной пластины составляет 1.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2025. No 1
02, моль
,0,14
0,12
0,08
0,06
0,04
0,02
1о
Н2, моль
1 0.85 0,8
0,75
! 0,65
0,55
1 1 0.45
Ьк/Ьр = 0,5 Па bjbp = 1 1 Па bJh, = 2
SM
Ьк/Ьр = 3
Давление, Па
Давление, Па ьк/
ьк/ьр = 1 па ьк/ьр = 2
Давление, Па
III I
Ьк/Ьр = 3
Давление, Па
Рис. 2. Распределение газов-реагентов (а, в) и давление (б, г) в каналах БП: а, б - катодная сторона БП; в, г - анодная сторона БП
Fig. 2. Distribution of reagent gases (a, в) and pressure (б, г) in the BP channels: a, б - cathode side of the BP; в, г - anode side of the BP
Ьк/Ьр = 0,5 Ьк/Ьр
1 Ьк/Ьр = 2
Ьк/Ьр
3
Давление,
Па
б
а
Ьк/Ьр = 0,5 Ьк/Ьр = 1 Ьк/Ьр
Ьк/Ьр
2
3
в
г
С одной стороны, при увеличении отношения Ьк/Ьр увеличивается площадь контакта газов-реагентов с МЭБ, однако сильно снижается внутреннее давление, что приводит к ухудшению массопереноса и снижению производительности ТЭ. С другой, при уменьшении отношения Ьк/Ьр увеличивается площадь контакта ребра биполярной пластины и мембранно-элек-тродного блока, что негативно сказывается на контактном сопротивлении между единичными ТЭ [14].
На рис. 3 показаны теплотехнические и газодинамические характеристики модели БП при отношения Ьк/Ьр = 1.
Т, К
и, м/с
зад 28? 280 275 270 265 260 255 250
Р,
Па 104 у-.
б
Рис. 3. Модель биполярной пластины: а -температура; б - скорость; в - давление
Fig. 3. Model of a bipolar plate: a - temperature; б - velocity; в - pressure
В целом наблюдается равномерное распределение температур по всей поверхности биполярной пластины, что говорит о равномерном охлаждении (см. рис. 3, а). Небольшое увеличение температуры на выходе связано с прогревом охлаждающего агента в ходе отведения образующейся теплоты при протекании электрохимической реакции. Однако градиент температур минимален, что является положительным фактором для протекания химической реакции. Расчет показал, что поле скорости газов -реагентов однородно и составляет порядка 2 м/с (см. рис. 3, б). В целом движение газов в анодной и катодной частях биполярной пластины происходит равномерно, отсутствуют завихрения и застойные зоны, что обеспечивает их равномерное распределение в объеме. Наибольшее давление наблюдается на входе в контур подачи газов-реагентов, и в дальнейшем происходит снижение давления по мере приближения к выходу из контура (см. рис. 3, в). Отметим, что перепада давлений можно избежать, увеличив скорость подачи, что может иметь и обратный эффект - ламинарное течение в некоторый момент перейдет в неупорядоченное турбулентное течение. При этом резко изменяется сила сопротивления движения, и перепад давлений может стать еще больше.
а
в
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2025. No 1
Заключение
В ходе проведенного исследования рассмотрено влияние ширины канала и ширины ребра канала биполярной пластины на ее газодинамические характеристики. Установлено оптимальное соотношение ширины канала Ьк и ширины ребра канала Ьр биполярной пластины. Соотношении Ьк/Ьр = 1 позволяет минимизировать сопротивление всем потокам и эффективно
отводить продукты реакции и теплоту. Расчет показал, что поле скорости газов-реагентов однородно, отсутствуют завихрения и застойные зоны, что обеспечивает их равномерное распределение в объеме.
В результате получены исходные данные для разработки биполярных пластин для систем энергопитания на основе водородно-воздушных топливных элементов.
Список источников / References
1. Pan Z. F. et al. Recent advances in fuel cells based propulsion systems for unmanned aerial vehicles. Applied Energy. 2019;(240):473-485.
2. Popel' O. S. et al. Fuel cell based power-generating installations: State of the art and future prospects. Thermal Engineering. 2018;(65):859-874.
3. Li Y. et al. Structure models and nano energy system design for proton exchange membrane fuel cells in electric energy vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017;(67):160-172.
4. Xiong K. et al. Modeling, design, materials and fabrication of bipolar plates for proton exchange membrane fuel cell: A review. Applied energy. 2021;(301):117443.
5. Takalloo P. K. et al. Numerical and experimental investigation on effects of inlet humidity and fuel flow rate and oxidant on the performance on polymer fuel cell. Energy conversion and management. 2016;(114):290-302.
6. Wilberforce T. et al. A comprehensive study of the effect of bipolar plate (BP) geometry design on the performance of proton exchange membrane (PEM) fuel cells. Renewable and sustainable energy reviews. 2019;(111):236-260.
7. Nguyen T. V. A gas distributor design for proton-exchange-membrane fuel cells. Journal of the Electrochemical Society. 1996;143(5):L103.
8. Kerkoub Y. et al. Channel to rib width ratio influence with various flow field designs on performance of PEM fuel cell. Energy conversion and management. 2018;(174):260-275.
9. Tiss F. et al. A numerical investigation of the effects of membrane swelling in polymer electrolyte fuel cells. Energy conversion and management. 2013;(67):318-324.
10. Ahmed D. H. et al. Effects of channel geometrical configuration and shoulder width on PEMFC performance at high current density. Journal of Power Sources. 2006;162(1):327-339.
11. Kahraman H. et al. Flow field bipolar plates in a proton exchange membrane fuel cell: Analysis & modeling. Energy Conversion and Management. 2017;(133):363-384.
Сведения об авторах
Фаддеев Никита Андреевичя - канд. техн. наук, мл. науч. сотрудник НИЛ «Новые композиционные и функциональные материалы со специальными свойствами», [email protected]
Серик Анжелика Викторовна - студент, [email protected]
Фесенко Лев Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды», [email protected]
Добровольский Юрий Анатольевич - д-р хим. наук, профессор, ген. директор, [email protected]
Смирнова Нина Владимировна - д-р хим. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», smirnova_nv@mail. ги
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2025. No 1
Information about the authors
Nikita A. Faddeev - Cand. Sci. (Eng.), Junior Researcher, Research Laboratory «New Composite and Functional Materials with Special Properties», [email protected]
Anzhelika V. Serik - Student, [email protected];
Lev N. Fesenko - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Water Management, Engineering Networks and Environmental Protection», [email protected]
Yuri A. Dobrovolsky - Dr. Sci. (Chem.), Professor, General Director, [email protected]
Nina V. Smirnova - Dr. Sci. (Chem.), Associate Professor, Department «Chemical Technology», [email protected]
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 02.12.2024; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 17.12.2024; принята к публикации / acceptedfor publication 10.01.2025.
