Статья посвящена исследованию водородных топливных элементов и разработке модели данного устройства электрохимического преобразования энергии с помощью компьютерного моделирования.
Ключевые слова: топливный элемент, энергетика, водород.
Развитие водородной энергетики сегодня находится на начальном этапе. Однако, уже сейчас построены небольшие электростанции по всему миру, функционирование которых основано на принципе холодного горения, а некоторые модели автомобилей, работающих на водородных топливных элементах, выпускаются серийно [1]. В применении водородных топливных элементов видится достойная альтернатива существующим традиционным технологиям получения энергии. Перспектива использования объясняется также и распространенностью вещества, из которого может быть получен водород — воды. А поскольку именно вода образуется в результате электрохимического взаимодействия, этот ресурс является неисчерпаемым, в отличие от органического топлива. Однако основная причина, по которой топливные элементы не используются повсеместно, является высокая стоимость производимой ими электроэнергии [2]. В работе выбрано направление по исследованию водородных топливных элементов с протонообменной мембраной и улучшению их характеристик. С помощью программного комплекса FLUENT, позволяющего воссоздавать и рассчитывать сложные процессы, было произведено моделирование работы топливных элементов с различными формами газовых каналов биполярных пластин (прямая, змеевидная и смешанная формы).
Задача разработки модели предполагает использование междисцилинарного анализа, поскольку решаются как задачи электрохимической кинетики, так и переноса вещества в многокомпонентных средах. Для осуществления иммитационного моделирования реакций, протекающих в водородных топливных элементах с протонообменной мембраной, целесообразно использовать программный модуль FLUENT. Это многофункциональный инструмент для воссоздания необходимых процессов, происходящих при химических взаимодействиях; он позволяет производить оптимизацию параметров системы.
Модель состоит из биполярных пластин, газодиффузионных слоев, пористых электродов с катализаторами и мембраны.
В топливных элементах с протонообменной мембраной благодаря особым свойствам полимерной мембраны, играющей роль электролита, молекулы воды движутся как вследствие молекулярной диффузии, так и за счет электроосмоса. Молекулы воды переносятся через полимерную мембрану с анодной на катодную сторону протонами. Это явление называется электроосмотическим переносом [3].
Модель позволяет производить оценку влияния различных геометрических форм каналов биполярных пластин на производительность топливного элемента. На рисунке 1 представлены три различные модели расположения газовых каналов: прямая форма, змеевидная и смешанная. Поскольку в дальнейшем ячейки топливных элементов будут собраны в батарею, каналы располагаются с обеих сторон биполярной пластины. Результаты моделирования отображены на рисунке 2. Средняя величина плотности тока для вышеперечисленных видов топливных элементов соотносится следующим образом: 0,961 А/см 2 — для топливных элементов с прямыми газовыми каналами, 1,029 А/см 2 — со змеевидными каналами, 1,351 А/см 2 — для топливных элементов со змеевидными газовыми каналами с анодной стороны и смешанными — с катодной. Из полученных результатов видно, что в третьем случае производительность выше почти на 30 %.
Рис. 1. Различная геометрия газодиффузионных слоев: а — прямая форма, б — змеевидная форма, в — смешанная форма
Рис. 2. Распределение плотности тока для различных типов геометрии газодиффузионных слоев: а — прямая форма, б — змеевидная форма, в — смешанная форма
В случае с использованием газовых каналов смешанной формы поток сквозь газовые поры протекает быстрее, поэтому ускоряется транспорт реагентов к реагирующей поверхности, и в результате повышается производительность [4]. Также это способствует лучшему выведению воды из каталитического слоя. Кроме того, распределение плотности тока в третьем случае более равномерное, чем в двух других.
Четко видна разница в плотности тока между следующими областями: газовыми каналами и непосредственно местом контакта биполярной пластины с газодиффузионным слоем. В местах под токовым коллектором конвективный перенос ограничен по сравнению с областями над газовыми каналами, поскольку электрохимическая реакция затруднена. Однако, этот эффект не наблюдается при смешанной форме каналов, так как поток протекает в пористой среде и конвективный перенос в области токового коллектора возрастает.
На рисунке 3 показана молярная концентрация водорода для трех различных видов биполярных пластин.
Рис. 3. Молярная концентрация водорода на поверхности биполярных пластин (моль/м 3 ): а — прямая форма, б — змеевидная форма, в — смешанная форма
Как видно из рисунка, наибольшая концентрация водорода характерна для газовых каналов прямой формы.
На рисунках 4 и 5 отображено распределение по поверхности биполярной пластины кислорода и воды соответственно.
Рис. 4. Молярная концентрация кислорода на поверхности биполярных пластин (моль/м 3 ): а — прямая форма, б — змеевидная форма, в — смешанная форма
Рис. 5. Молярная концентрация воды: а — прямая форма, б — змеевидная форма, в — смешанная форма
Видно, что для всех разновидностей газовых каналов молярная концентрация водного пара превышает значение насыщения. Это означает, что имеет место конденсация. Смешанная форма газовых каналов также эффективна для выведения излишков воды за счет дополнительного конвективного переноса в порах.
Объемная модель разработана и применена для оценки влияния формы газовых каналов на производительность топливного элемента с протонообменной мембраной, что отображено на рисунке 2 (распределение плотности тока) и на рисунках 3–5 (молярная концентрация веществ реакции). Разработанная модель, объединяющая электрохимическую кинетику и многокомпонентный перенос, отображает полную картину протекания электрохимической реакции во время работы топливного элемента и является одним из инструментов моделирования реальных условий работы топливных элементов с протонообменной мембраной.
В ходе моделирования выявлено, что за счет использования биполярных пластин с газовыми каналами смешанной формы можно увеличить плотность тока почти на 30 %, а следовательно, и повысить эффективность работы и снизить стоимость 1 кВт электроэнергии
Литература:
- Бродач М. М., Шилкин Н. В. Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий. Журнал “Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика” № 2, 2004. — 120 с.
- Глебова Е. Рывок в водородное будущее. «Наука и жизнь» № 2, 2004. — 75с.
- Добровольский Ю. А., Укше А. Е., Левченко А. В., Архангельский И. В., Ионов С. Г., Авдеев В. В., Алдошин С. М. Материалы для биполярных пластин топливных элементов на основе протонопроводящих мембран. Российский Химический Журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева), 2006 г. — 143 с.
- Кривобоков В. П., Сочугов Н. С., Соловьев А. А. Электрохимия топливных элементов. Томск: ТПУ, 2009. — 155 с.
