Работа посвящена разработке методики согласования характеристик и режимов работы отдельных компонентов системы подготовки, подачи и отвода воздуха электрохимического генератора с целью обеспечения наилучшей эффективности работы электрохимического генератора в сборе. Подробно рассматривается влияние охладителя и увлажнителя наддувочного воздуха на функционирование батареи топливных элементов входящей в состав электрохимического генератора. Для этого предлагается использовать метод математического моделирования в одномерной постановке. На основе анализа и обобщения результатов определены параметры обеспечивающие наибольший КПД исследуемых объектов.
Ключевые слова: электрохимический генератор, система подготовки и подачи воздуха, охладитель наддувочного воздуха, увлажнитель наддувочного воздуха, топливные элементы.
Введение
В современном мире особое внимание уделяется снижению углеродного следа, и эта тенденция отчетливо прослеживается на глобальном уровне. За последние годы в ряде европейских стран показатель выбросов CO 2 стал одной из ключевых характеристик транспортных средств. Создание новых энергоэффективных и экологически чистых силовых установок для автомобилей требует разработки принципиально новых технологий.
На данный момент альтернативой классическим двигателям внутреннего сгорания являются электродвигатели, но электродвигателям необходим источник энергии. В качестве источника энергии для электрических двигателей сейчас широко применяются тяговые аккумуляторные батареи разного типа на основе лития, работающие по принципу запасания и передачи энергии, полученной от внешней электросети. У данной технологии есть определенные недостатки, такие как низкие удельные показатели запасаемой энергии, использование редкоземельных металлов высокой чистоты, трудности в последующей переработке, что в свою очередь сказывается на запасе хода и цене автотранспорта. Одним из перспективных решений является гибридизация «чистого» электротранспорта на аккумуляторных батареях с водородными топливными элементами [1].
Водородные топливные элементы обеспечивают генерацию энергии при условии непрерывной подачи реагентов — водорода и кислорода (воздуха), её можно использовать как для движения, так и для пополнения емкости аккумуляторных батарей. Водород причислен к возобновляемым источникам энергии, это один из самых распространённых элементов в мире, обладает высокой энергоемкостью, но почти отсутствует в несвязанном виде [2]. Данное решение обеспечивает снижение необходимой емкости аккумуляторных батарей, больший запас хода и устраняет потребность в зарядке аккумуляторных батарей в ходе длительных остановок.
Водородные энергетические установки, применяемые в транспортном секторе, представляют из себя сложную систему и состоит из следующих основных подсистем: электрохимического генератора (ЭХГ); системы хранения компримированного водорода (СХКВ), системы управления. В свою очередь ЭХГ состоит из системы подготовки, подачи и отвода воздуха; системы подготовки, подачи и отвода водорода; батареи топливных элементов (БТЭ); системы термоменеджемента [3].
Цель работы — разработать методику определения и согласования характеристик ключевых компонентов системы подготовки, подачи и отвода воздуха методом одномерного моделирования. В зависимости от объема и точности входных данных методом одномерного моделирования можно определить характеристики и проанализировать алгоритмы работы объекта проектирования, что, в свою очередь, снизит общие затраты на экспериментальные исследования.
Объект исследования
Система подготовки и подачи воздуха в батарею топливных элементов (БТЭ) играет важную роль в обеспечении наибольшего КПД БТЭ, что достигается повышением стехиометрии, влажности наддувочного воздуха и уменьшением температуры наддувочного воздуха. В целях определения характеристик компонентов данной системы и системы в целом, при которых достигается наибольший КПД БТЭ, составлена одномерная компьютерная модель, представленная на рис.1.
Рис. 1. Одномерная компьютерная модель системы подготовки и подачи воздуха в батарею топливных элементов
Основными компонентами данной системы являются:
– Воздушный фильтр;
– Воздушный компрессор;
– Охладитель наддувочного воздуха (ОНВ);
– Увлажнитель наддувочного воздуха (УНВ);
– Дроссельная заслонка;
– Патрубки.
С помощью компьютерной модели рассмотрено влияние охладителя и увлажнителя наддувочного воздуха на работу БТЭ. В следствие того, что для номинальной работы БТЭ необходимо поддерживать стабильный водный баланс мембранно-электродных блоков (МЭБ) топливных элементов, входящих в состав БТЭ, избыток или недостаток влаги в составе подводящего воздуха способен снизить КПД, вызвать затопление отдельных участков активной области топливных элементов и нарушить стабильность работы БТЭ в целом. УНВ играет важную роль в защите мембраны топливных элементов от переосушения и сохранения эксплуатационного ресурса, посредством передачи молекул воды от выхлопных газов к наддувочному воздуху.
Существует несколько типов УНВ:
1) По методу увлажнения:
– Увлажнитель газ-газ;
– Увлажнитель вода-газ;
2) По типу увлажнителя:
– Рециркулирующий увлажнитель;
– Увлажнитель с полой волокнистой мембраной;
– Увлажнитель с плоской мембраной;
3) По техническому исполнению:
– Внутреннее увлажнение:
a) Увлажнитель с прямым впрыском жидкости;
b) Увлажнитель с губками/ пористыми пластинами;
– Внешние увлажнители:
a) Баблер увлажнитель;
b) Энтальпийный роторный увлажнитель;
c) Мембранный увлажнитель.
Применительно к топливным элементам на протонообменной мембране (ПОМТЭ) применяют внешние увлажнители, в данной работе рассматривается применение внешнего мембранного увлажнителя кожухотрубного типа (рис.2).
Исследования характеристик ОНВ и УНВ
Типичный кожухотрубный УНВ имеет мембраны Nafion, диаметр внутренних трубок может варьироваться от 0,4 мм до 0,8 мм [4]. В данной работе толщина мембран изменяется от 0,025 мм до 0,1 мм, диаметр внутренних трубок оставался неизменным 0,5 мм.
Стоит отметить, что целевой температурой наддувочного воздуха на выходе из УНВ, является температура близкая к температуре БТЭ и немного большей чем точка росы. Диффузию молекул воды в УНВ возможно описать основными формулами переноса, где градиент концентраций воды образует массовый поток (1), при этом массовый поток определяется формулой (2) согласно [5], [6]:
где,
где,
![Структура кожухотрубного УНВ с методом увлажнения газ-газ [5]](https://moluch.ru/blmcbn/120369/img_120369_13.webp)
Рис. 2. Структура кожухотрубного УНВ с методом увлажнения газ-газ [5]
Вследствие того, что ОНВ и УНВ не управляемые компоненты, то для корректировки необходимо изменять температуру охлаждающей жидкости, подводимой к ОНВ, изменяя тем самым температуру и удельную влажность наддувочного воздуха на выходе из ОНВ. Для изменения удельной влажности наддувочного воздуха на выходе из УНВ трубчатого типа, варьировали объем подаваемого воздуха и отводимого воздуха в УНВ, путем изменения длины трубок и толщины мембраны. Стоит отметить, что перенос молекул воды в УНВ увеличивается с увеличением диаметра, длины и числа трубок УНВ [7].
По результатам одномерного моделирования были получены данные представленные в Табл.1, 2.
КПД БТЭ вычисляется программно согласно формуле:
где,
Таблица 1
Параметры ОНВ, УНВ и КПД БТЭ при относительной влажности атмосферного воздуха 50 % при температуре ОНВ 70 °C и температуре БТЭ 75 °C.
|
Толщина мембраны УНВ, мм |
Длина трубок УНВ, мм |
Площадь мембраны, м 2 |
Объем влажной/ сухой области, л |
Точка росы вых. наддувочного воздуха из УНВ, °C |
Температура на вых. из УНВ сухой V , °C |
Относительная влажность наддувочного воздуха на вых. из УНВ, - |
Средняя доля воды в мембранах БТЭ, - |
КПД БТЭ, % |
|
0,025 |
150 |
2,8 |
1,4 / 3,1 |
45,2 |
81,6 |
0,19 |
2,15 |
50,9 |
|
0,025 |
300 |
5,65 |
2,8 / 6,2 |
64,3 |
83,3 |
0,44 |
2,66 |
52 |
|
0,025 |
450 |
8,48 |
4,2 / 9,3 |
61,3 |
79,8 |
0,45 |
2,6 |
51,9 |
|
0,05 |
150 |
2,8 |
1,4 / 3,1 |
37,8 |
81,8 |
0,13 |
1,95 |
50,4 |
|
0,05 |
300 |
5,65 |
2,8 / 6,2 |
51,5 |
82,1 |
0,25 |
2,37 |
51,5 |
|
0,05 |
450 |
8,48 |
4,2 / 9,3 |
50,1 |
80,1 |
0,26 |
2,31 |
51,2 |
|
0,1 |
150 |
2,8 |
1,4 / 3,1 |
32,6 |
82 |
0,09 |
1,85 |
50,1 |
|
0,1 |
300 |
5,65 |
2,8 / 6,2 |
37,6 |
80,8 |
0,13 |
1,95 |
50,4 |
|
0,1 |
450 |
8,48 |
4,2 / 9,3 |
41,5 |
80,3 |
0,16 |
2,04 |
50,6 |
Как видно из Табл.1., во всех расчетных случаях температура выходного наддувочного воздуха из УНВ намного выше температуры БТЭ из-за недостаточного охлаждения в ОНВ, а так как температура БТЭ поддерживается на отметке в 75 °C системой термоменеджемента, то согласно формулам (1) и (2) диффузия молекул воды на сторону подаваемого воздуха происходит слабо из-за низкой относительной влажности.
Таблица 2
Параметры ОНВ, УНВ и КПД БТЭ при относительной влажности атмосферного воздуха 50 % при температуре ОНВ 40 °C и температуре БТЭ 75 °C.
|
Толщина мамбраны УНВ, мм |
Длина трубок УНВ, мм |
Площадь мембраны, м 2 |
V влажной/сухой области, л |
Точка росы вых. наддувочного воздуха из УНВ, °C |
T на вых. из УНВ сухой объем, °C |
φ наддувочного воздуха на вых. из УНВ, - |
Средняя доля воды в мембранах БТЭ, - |
КПД БТЭ, % |
|
0,025 |
150 |
2,8 |
1,4 / 3,1 |
63,5 |
72,8 |
0,66 |
2,64 |
51,9 |
|
0,025 |
300 |
5 , 65 |
2,8 / 6,2 |
71,2 |
73,1 |
0,92 |
2,72 |
52,2 |
|
0,025 |
450 |
8,48 |
4,2 / 9,3 |
74,8 |
73,3 |
1,06 |
2,75 |
52,3 |
|
0,05 |
150 |
2,8 |
1,4 / 3,1 |
44,2 |
72,9 |
0,26 |
2,1 |
50,8 |
|
0,05 |
300 |
5,65 |
2,8 / 6,2 |
56,7 |
73,1 |
0,48 |
2,5 |
51,6 |
|
0,05 |
450 |
8,48 |
4,2 / 9,3 |
67 |
73,3 |
0,76 |
2,68 |
52,1 |
|
0,1 |
150 |
2,8 |
1,4 / 3,1 |
36,5 |
73,1 |
0,17 |
1,92 |
50,3 |
|
0,1 |
300 |
5,65 |
2,8 / 6,2 |
44,5 |
73,3 |
0,26 |
2,1 |
50,8 |
|
0,1 |
450 |
8,48 |
4,2 / 9,3 |
51 |
73,4 |
0,36 |
2,34 |
51,3 |
Как видно из полученных таблиц 1 и 2, наибольшее увлажнение наддувочного воздуха достигается при температуре ОНВ 40 °C, и минимальной толщине мембраны (0,025 мм), при этом относительная влажность была достигнута на отметки в 0,92, что позволило повысить КПД БТЭ номинальной мощностью 68 кВт до 52,2 %. При данной относительной влажности наддувочного воздуха, средняя доля воды в мембранах БТЭ составляет 2,72, что свидетельствует о наибольшей концентрации воды и необходимом увлажнении. Необходимо учесть, что при температуре ОНВ 40 °C, температура на выходе наддувочного воздуха составляет 69–70 °C, тогда как при увеличении температуры ОНВ до 70 °C, температура воздуха на выходе составила 87–90 °C.
Согласно формуле (1), результирующий массовый поток воды обеспечивает увлажнение или осушение сухой стороны УНВ (поток в БТЭ) в зависимости от условий эксплуатации. Результирующая таблица по двум температурным вариантам ОНВ отражающая изменение результирующего потока воды представлена ниже (Табл. 3). Так при снижении температуры подаваемого воздуха в БТЭ до 73 °C, что ниже рабочей температуры БТЭ, удается достигнуть наибольшего результирующего массового патока воды диффундирующего от влажной стороны УНВ к сухой стороне. Следовательно, при изменении температуры БТЭ необходимо корректировать температуру ОНВ.
Таблица 3
Результирующий массовый поток воды с влажной стороны на сухую сторону УНВ в зависимости от температуры ОНВ.
|
Результирующий массовый поток воды, при температуре ОНВ 70 °C, г/с |
Результирующий массовый поток воды, при температуре ОНВ 40 °C, г/с |
|
2,2 |
7,4 |
|
1,2 |
11,3 |
|
6,4 |
13,8 |
|
1,1 |
2,1 |
|
9,6 |
4,9 |
|
3,1 |
8,9 |
|
0,6 |
1,0 |
|
1,1 |
2,1 |
|
1,6 |
3,4 |
Увеличение относительной влажности свыше 1, свидетельствует о конденсации молекул воды в подаваемом в БТЭ воздухе (точка росы также больше температуры наддувочного воздуха на выходе из УНВ), что нежелательно даже несмотря на более высокое КПД БТЭ из-за риска затопления. Что подтверждается работой [8], где было показано, что увеличение температуры на 1°C проницаемость мембраны УНВ повышается на 5 %. Было заявлено, что проницаемость мембраны увеличивается с уменьшением толщины мембраны, давления и увеличением температуры и относительной влажности.
Пониженная размерность БТЭ и УНВ
Для более детального анализа произведем дискретизацию УНВ и расчет пониженной размерности БТЭ 68 кВт для определения характера воздушного потока.
На рисунке 3 представлено схематичное представление УНВ, разбитого на 6 сегментов (длинной 50 мм), сегментирование позволяет наглядно определить в какой части УНВ происходит наибольший перенос молекул воды и теплоотдачи от влажного газа к наддувочному.
Рис. 3. Схема УНВ разбитого на 6 сегментов
На рисунке 4, 5 изображены графики относительной влажности наддувочного воздуха и распределения массового потока молекул воды по длине УНВ соответственно. Как видно из представленных данных наибольший массовый поток воды через мембрану УНВ наблюдается на удалении 180 мм от входа УНВ (относительное положение 0,6), при этом прирост массовой доли воды в сегменте 6 наименьший из рассмотренных сегментов (рис.6.).
Рис. 4. Температура в сегментах УНВ
Рис. 5. Распределение по длине УНВ массового потока воды с влажной стороны на сухую сторону
Рис. 6. Массовая доля воды в сегментах УНВ
Рис. 7. (1) Массовая концентрация воды в катодном объеме БТЭ; (2) Плотность тока в МЭБ БТЭ
Модель БТЭ пониженной размерности показывает распределение воды в катодном объеме БТЭ (рассматривается только активный объем БТЭ), из данных следует, что при номинальной работе на мощности 68 кВт, по мере продвижения воздуха по каналам биполярных пластин массовая концентрация воды увеличивается до 0,2. Это способствует лучшему увлажнению МЭБ входящих в БТЭ и что способствует повышению КПД и уменьшению локальной плотности тока. Так на рис.7. (2) наибольшая плотность тока наблюдается в зоне БТЭ с наименьшей концентрацией воды на катоде. Однако, если бы длина УНВ была 450 мм (3-й вариант в табл.2), то происходил бы избыток и частичное затопление активного объема БТЭ.
Выводы:
В результате исследования была определена оптимальная температура ОНВ (40 °C), до которой необходимо охлаждать нагнетаемый воздух перед УНВ, а также определили оптимальную толщину мембраны (0,025 мм), длину трубок (300 мм), что позволило повысить КПД БТЭ на 2,1 % достигнув значения 52,3 %.
При температуре ОНВ 40 °C температура наддувочного воздуха на выходе из ОНВ составляла 70 °C, при повышении температуры ОНВ до 70 °C на выходе температура газов поднималась до 88 °C что близко к верхней границе температуры подаваемого воздуха (90 °C).
При повышенной температуре наддувочного воздуха, система термоменеджемента БТЭ номинальной мощностью 68 кВт, принимает дополнительную нагрузку, что снижает эффективность. Повышение температуры наддувочного воздуха также уменьшает скорость диффузии молекул воды в УНВ, тогда как относительная влажность подаваемого воздуха в УНВ не вносит столь существенного вклада в скорость диффузии. Также направление потоков газов в УНВ влияет на скорость переноса молекул воды, поэтому необходимо иметь встречный газовый поток.
При избыточно длинных трубках УНВ, возможен обратный перенос молекул воды на сторону выхлопных газов, тем самым не давая возможность увеличить относительную влажность в наддувочном воздухе, а также увеличиваются габариты изделия.
Результаты моделирования показали, что при изменении рабочей температуры БТЭ целесообразно также повышать температуру наддувочного воздуха при условии сохранения относительной влажности.
Литература:
- Dariusz Pyza, Paweł Gołda, и Ewelina Sendek-Matysiak, «Use of hydrogen in public transport systems», Journal of Cleaner Production, т. 335, с. 130247, фев. 2022, doi: 10.1016/j.jclepro.2021.130247.
- H. Qusay и A. M. Abdulateef, «Renewable energy-to-green hydrogen: A review of main resources routes, processes and evaluation», International Journal of Hydrogen Energy, т. 48, вып. 46, сс. 17383–17408, май 2023, doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.01.175.
- Jiquan Han и Jianmei Feng, «A review of key components of hydrogen recirculation subsystem for fuel cell vehicles», Energy Conversion and Management: X, т. 15, с. 100265, авг. 2022, doi: 10.1016/j.ecmx.2022.100265.
- Mads Pagh Nielsen and Anders Christian Olesen, «Modeling of A membrane based humidifier for fuel cell applications subject to end-of-life conditions», т. 55, 2014 г.
- Sang-Kyun Park, Song-Yul Choe, и Seo-ho Choi, «Dynamic modeling and analysis of a shell-and-tube type gas-to-gas membrane humidifier for PEM fuel cell applications», International Journal of Hydrogen Energy, т. 33, вып. 9, сс. 2273–2282, май 2008, doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.02.058.
- D. Chen и H. Peng, «A Thermodynamic Model of Membrane Humidifiers for PEM Fuel Cell Humidification Control», Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, т. 127, вып. 3, сс. 424–432, окт. 2004, doi: 10.1115/1.1978910.
- S. K. Park и S. Y. Choe, «Analysis of a shell-and-tube type gas-to-gas membrane humidifier for an automotive polymer electrolyte membrane fuel cell power system International Journal of Automotive Technology». Просмотрено: 24 сентябрь 2024 г. [Онлайн]. Доступно на: https://link.springer.com/article/10.1007/s12239–013–0049–4
- Van Khoi Phan и Xuan Linh Nguyen, «Experimental study on the mass transfer permeability of hollow fiber membranes for a humidifier in a proton exchange membrane fuel cell», International Communications in Heat and Mass Transfer, т. 157, с. 107725, сен. 2024, doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107725.
