Исследование особенностей функционирования и повышение влагосодержания в твердополимерных топливных элементах с жидкостным охлаждением

Об авторах:

Агапов Константин Владимирович, аспирант, Национальный исследовательский университет, Московский энергетический институт; инженер, ИнЭнерджи (г. Москва); agapovkv@mail.ru; ORCID: 0000-0001-8009-3080

Дуников Дмитрий Олегович, кандидат физико-математических наук, доцент, Национальный исследовательский университет, Московский энергетический институт; старший научный сотрудник, Объединенный институт высоких температур РАН (г. Москва); ddo@mail.ru; ORCID: 0000-0002-2238-5605

Кузьмин Кирилл Дмитриевич, инженер, ИнЭнерджи (г. Москва); k.kuzmin@inenergy.ru

Стоянов Евгений Викторович, инженер, ИнЭнерджи (г. Москва); e.stoyanov@inenergy.ru

Аннотация:

В настоящей публикации, помимо упора на инженерную составляющую в создании собственного испытательного стенда для отработки различных режимов и общей работоспособности твердополимерных топливных элементов с электрической мощностью свыше 2 кВт, выносятся на обозрение особенности результата работы топливного элемента с жидкостным охлаждением в области теплообмена. Известно, что от правильно отстроенного водяного и теплового баланса топливного элемента зависит его производительность и срок службы. Описана проблемная область в недостаточном влагосодержании подаваемого воздуха в топливный элемент и переизбытке тепла в топливном элементе. При этом отрицательным последствием является то, что создается дополнительное сопротивление скорости электрохимической реакции, вследствие чего уменьшается вырабатываемая мощность. Предложен возможный путь решения данной проблемы: так, согласно уравнению теплового баланса, путем увеличения перепада температур между входящим и выходящим теплоносителем можно отводить больше тепловой энергии. Разница температур достигалась с помощью использования водо-воздушного радиатора. Повышенный отвод тепловой энергии позволил сконденсировать часть влаги внутри топливного элемента, поддерживая влажность и проводимость мембраны, но не допуская при этом затопления каналов жидкой водой, что в противном случае могло бы привести к снижению производительности. Во время испытаний удалось осуществить прирост снимаемой мощности на 321 Вт, что составляет 8,4% сверх максимальной мощности. На основании полученных экспериментальных результатов были построены зависимости, которые выражаются вольт-амперной характеристикой, мощностной кривой, количеством тепла, отводимого водой от топливного элемента, и графиком изменения температуры воды на входе и выходе из топливного элемента на различных этапах работы.

Список литературы:

1. ГОСТ 3022-80. Водород технический. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1980. 26 с.

2. Полякова Т. В. Состояние и перспективы развития водородной энергетики / Т. В. Полякова // Вестник МГИМО-Университета. 2012. № 1. С. 156-164.

3. Afshari E. Numerical investigation on a novel zigzag-shaped flow channel design for cooling plates of PEM fuel cells / E. Afshari, M. Ziaei-Rad, M. M. Dehkordi // Journal of the Energy Institute. 2017. Vol. 90. No. 5. Pp. 752-763. DOI: 10.1016/j.joei.2016.07.002

4. Alizadeh E. The experimental analysis of a dead-end H2/O2 PEM fuel cell stack with cascade type design / E. Alizadeh, M. Khorshidian, S. H. M. Saadat, S. M. Rahgoshay, M. Rahimi-Esbo // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. No. 16. Pp. 11662-11672. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.03.094

5. Aslam R. M. Simultaneous thermal and visual imaging of liquid water of the PEM fuel cell flow channels / R. M. Aslam, D. B. Ingham, M. S. Ismail, K. J. Hughes, L. Ma, M. Pourkashanian // Journal of the Energy Institute. 2019. Vol. 92. No. 2. Pp. 311-318. DOI: 10.1016/j.joei.2018.01.005

6. Asri N. F. Coating of stainless steel and titanium bipolar plates for anticorrosion in PEMFC: a review / N. F. Asri, T. Husaini, A. B. Sulong, E. H. Majlan, W. R. W. Daud // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. No. 14. Pp. 9135-9148. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.06.241

7. Devrim Y. Development of 500 W PEM fuel cell stack for portable power generators / Y. Devrim, H. Devrim, I. Eroglu // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. No. 24. Pp. 7707-7719. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.02.005

8. Heinzel A. Fuel cells — proton-exchange membrane fuel cells. Bipolar plates / A. Heinzel, F. Mahlendorf, C. Jansen // Encyclopedia of Electrochemical Power Sources / ed. J. Garche. Elsevier, 2009. Pp. 810-816. DOI: 10.1016/B978-044452745-5.00226-4

9. Liang P. Contact resistance prediction of proton exchange membrane fuel cell considering fabrication characteristics of metallic bipolar plates / P. Liang, D. Qiu, L. Peng, P. Yi, X. Lai, J. Ni // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 169. Pp. 334-344. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.05.069

10. Liu H.-H. Modeling and design of air-side manifolds and measurement on an industrial 5-kW hydrogen fuel cell stack / H.-H. Liu, C.-H. Cheng, K.-L. Hsueh, C.-W. Hong // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. No. 30. Pp. 19216-19226. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.06.057

11. Liu L. An overview of the proton conductivity of nafion membranes through a statistical analysis / L. Liu, W. Chen, Y. Li // Journal of Membrane Science. 2016. Vol. 504. Pp. 1-9. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.12.065

12. Misran E. Water transport characteristics of a PEM fuel cell at various operating pressures and temperatures / E. Misran, N. S. M. Hassan, W. R. W. Daud, E. H. Majlan, M. I. Rosli // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38. No. 22. Pp. 9401-9408. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.12.076

13. Moreno N. G. Approaches to polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) and their cost / N. G. Moreno, M. C. Molina, D. Gervasio, J. F. Pérez-Robles // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 52. Pp. 897-906. DOI: 10.1016/j.rser.2015.07.157

14. Saeeda W. Modeling and analysis of renewable PEM fuel cell system / W. Saeeda, G. Warkozek // Energy Procedia. 2015. Vol. 74. Pp. 87-101. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.07.527

15. Shih N.-C. Development of a 20 kW generic hybrid fuel cell power system for small ships and underwater vehicles / N.-C. Shih, B.-J. Weng, J.-Y. Lee, Y.-C. Hsiao // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. No. 25. Pp. 13894-13901. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.01.113

16. Subin K. Experimental study on self-humidified operation in PEM fuel cells / K. Subin, P. K. Jithesh // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2018. Vol. 27. Pp. 17-22. DOI: 10.1016/j.seta.2018.03.004

17. Tu Z. Evaluation of 5 kW proton exchange membrane fuel cell stack operated at 95 °C under ambient pressure / Z. Tu, H. Zhang, Z. Luo, J. Liu, Z. Wan, M. Pan // Journal of Power Sources. 2013. Vol. 222. Pp. 277-281. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.08.081

18. Wan Z. In situ temperature measurement in a 5 kW-class Proton Exchange Membrane Fuel Cell stack with pure oxygen as the oxidant / Z. Wan, J. Shen, H. Zhang, Z. Tu, W. Liu // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 75. Pp. 231-234. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.075

19. Yang L. HIES: cases for hydrogen energy and I-Energy / L. Yang, P. Xie, R. Zhang, Y. Cheng, B. Cai, R. Wang // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. No. 56. Pp. 29785-29804. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.03.056