Повышение стабильности работы и долговечности энергоустановки на топливных элементах


Авторы

Агапов К. В.1, Дуников Д. О.2, Климова М. А.2, Кузьмин К. Д.1*

1. ООО «ИнЭнерджи», 2-й Котляковский пер. 18, Москва, 115201, Россия
2. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия

*e-mail: k.kuzmin@inenergy.ru

Аннотация

Представлены результаты экспериментального исследования работы автономногоисточника энергии на топливных элементах, подходящего для портативного и стационарного применения. Создана экспериментальная установка и проведены эксперименты по изучению производительности топливного элемента с твердополимерным электролитом номинальной мощностью 40 Вт при холодном старте. Весь стек прогревался до положительной температуры, чтобы растопить содержащуюся внутри воду. Для прогрева топливного элемента при старте внутри энергоустановки был установлен термоэлектрический нагреватель, что позволило поддерживать положительную температуру выходной магистралии удалять воду во время продувки вместе с непрореагировавшим водородом. Для обеспечения плавности увеличения нагрузкиначальное значение тока составляло 0.05 А. Низковольтных аккумуляторных батарей напряжением 19.2 В оказалось достаточно, чтобы обеспечить плавный запуск топливного элемента. Эксперименты подтвердили устойчивую работу созданной гибридной энергоустановки на топливных элементах.

Ключевые слова:

водород, твердополимерный топливный элемент, холодный запуск, повышение стабильности работы

Библиографический список

  1. Lü X., Qu Y., Wang Y., Qin C., Liu G. A comprehensive review on hybrid power system for PEMFC-HEV: Issues and strategies// Energy Conversion and Management. 2018. V. 171. P. 1273‒1291. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.06.065

  2. Contestabile М. Analysis of the market for diesel PEM fuel cell auxiliary power units onboard long-haul trucks and of its implications for the large-scale adoption of PEM FCs// Energy Policy. 2010. V. 38. N 10. P. 5320‒5334. DOI: 10.1016/j.enpol.2009.03.044

  3. Narimani М., DeVaal J., Golnaraghi F. Hydrogen emission characterization for proton exchange membrane fuel cell during oxygen starvation- Part 2: Effect of hydrogen transfer leak // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. V. 41. N 41. P. 18641‒18653. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.227

  4. Chrenko D., Coulié J. Static and dynamic modeling of a diesel fed fuel cell power supply // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. V. 34. N 3. P. 1377‒1389. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.11.095

  5. Guan T., Alvfors P.An overview of biomass-fuelled proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) systems // Energy Procedia. 2015. V. 75. P. 2003‒2008. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.257

  6. Erbach S., Pribyl B., Klages M., Spitthoff L., Borah K., Epple S., Gubler L., Pătru A., Heinen M., Schmidtv T.J. Influence of operating conditions on permeation of CO2 through the membrane in an automotive PEMFC system // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. P. 1‒12. DOI:10.1016/j.ijhydene.2018.10.033

  7. Antonio S.J., Alfredo I., Felipe R., Elvira T.Validation of cell voltage and water content in a PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell model using neutron imaging for different operation conditions // Energy. 2016. V. 101. P. 100‒112. DOI: 10.1016/j.energy.2016.02.006

  8. FanL., ZhangG., JiaoK. Characteristics of PEMFC operating at high current density with low external humidification // Energy Conversion and Management. 2017. V. 150. P. 763‒774. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.08.034

  9. Sanchez D.G., Garcia-Ybarra P.L. PEMFC operation failure under severe dehydration // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. V. 37.N 8. P. 7279‒7288. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.11.059

  10. Ferrara A., Polverino P., Pianese C. Analytical calculation of electrolyte water content of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell for on-board modelling applications // Journal of Power Sources. 2018. V. 390. P. 197‒207. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.04.005

  11. Zhan Z., Yuan C., Hu Z., Wang H., Sui P.C., Djilali N., Pan M. Experimental study on different preheating methods for the cold-start of PEMFC stacks // Energy. 2018. V. 162. P. 1029‒1040. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.08.003

  12. Luo Y., Jiao K. Cold start of proton exchange membrane fuel cell // Progress in Energy and Combustion Science. 2018. V. 64. P. 29‒61. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.10.003

  13. Jiao K., Alaefour I.E., Karimi G., Li X. Cold start characteristics of proton exchange membrane fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. 2011. V. 36. N 18. P. 11832‒11845. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.05.101

  14. Lin R., Weng Y., Li Y., Lin X., Xu S., Ma J. Internal behavior of segmented fuel cell during cold start // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. V. 39. N 28. P. 16025‒16035. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.12.083

  15. Lin R., Weng Y., Lin X., Xiong F.Rapid cold start of proton exchange membrane fuel cells by the printed circuit board technology // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. V. 39. N 32.P. 18369‒18378. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.09.065

  16. Lin R.,Ren Y.S., Lin X.W., Jiang Z.H., Yang Z., ChangY.T.Investigation of the internal behavior in segmented PEMFCs of different flow fields during cold start process // Energy. 2017. V. 123. P. 367‒377. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.01.138

  17. Amamou A., Kandidayeni M., Boulon L., KelouwaniS.Real time adaptive efficient cold start strategy for proton exchange membrane fuel cells // Applied Energy. 2018. V. 216. P. 21‒30. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.02.071

  18. Oszcipok M., Zedda M., Riemann D., GeckelerD.Low temperature operation and influence parameters on the cold start ability of portable PEMFC // Journal of Power Sources. 2006. V. 154. N 2. P.404‒411. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.10.035

  19. Tang Y., Yuan W., Pan M., Wan Z. Experimental investigation on the dynamic performance of a hybrid PEM fuel cell/battery system for lightweight electric vehicle application // Applied Energy. 2011. V. 88.N 1.P. 68‒76. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.07.033

  20. Ou K., Yuan W.-W., Choi M., Yang S., Jung S., Kim Y.-B. Optimized power management based on adaptive-PVM algorithm for a stationary PEM fuel cell/battery hybrid system // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43. N 32. P. 15433‒15444. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.06.072

  21. Roda V., Carroquino J., Valiño L., Lozano A., Barreras F. Remodeling of a commercial plug-in battery electric vehicle to a hybrid configuration with a PEM fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. V. 43. N 35. P. 16959‒16970. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.12.171

  22. Zhan Y., Wang H., Zhu J.Modelling and control of hybrid UPS system with backup PEM fuel cell/battery //International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2012. V. 43. N 1. P. 1322‒1331. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2012.03.046

  23. Zhang Y., Zhou B. Modeling and control of a portable proton exchange membrane fuel cell-battery power system // Journal of Power Sources. 2011. V. 196. N 20. P. 8413‒8423. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.05.022

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024