Анализ характеристик батареи топливных элементов с протонообменной мембраной: влияние температуры окружающей среды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена модель мембранно-электродного блока, учитывающая влияние различных климатических условий на удельные мощностные характеристики. Продемонстрирован анализ разработанной модели в сравнении с батареей топливных элементов с протонообменной мембраной (ПОМТЭ), работающей при различных температурах окружающей среды. Показано расхождение полученных данных (менее 10%) между моделью и экспериментом в диапазоне температур от −10 до +10°С. Оптимальная температура окружающей среды для работы батареи составила 10°C. Снижение удельной мощности при повышении температуры на каждые 10°C выше нуля составило 0.006–0.008 Вт/см2, что является несущественным изменением и может быть компенсировано за счет использования буферного накопителя энергии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Фаддеев

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikita.faddeev@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

И. В. Васюков

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Email: nikita.faddeev@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

М. А. Беличенко

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Email: nikita.faddeev@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

А. В. Серик

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Email: nikita.faddeev@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

Н. В. Смирнова

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Email: smirnova_nv@mail.ru
Россия, Новочеркасск

Список литературы

  1. Kurnia, J.C., Chaedir, B.A., Sasmito, A.P., & Shamim, T., Progress on open cathode proton exchange membrane fuel cell: Performance, designs, challenges and future directions, Appl. Energy, 2021, vol. 283, p. 116359.
  2. Zhao, C., Xing, S., Chen, M., Liu, W., & Wang, H., Optimal design of cathode flow channel for air-cooled PEMFC with open cathode, Intern. J. Hydrogen Energy, 2020, vol. 45, no. 35, p. 17771.
  3. Jeong, S.U., Cho, E.A., Kim, H.J., Lim, T.H., Oh, I.H., & Kim, S.H., A study on cathode structure and water transport in air-breathing PEM fuel cells, J. Power Sources, 2006, vol. 159, no. 2, p. 1089.
  4. Wu, J., Galli, S., Lagana, I., Pozio, A., Monteleone, G., Yuan, X. Z., & Wang, H., An air-cooled proton exchange membrane fuel cell with combined oxidant and coolant flow, J. Power Sources, 2009, vol. 188, no. 1, p. 199.
  5. Sasmito, A.P., Birgersson, E., Lum, K., & Mujumdar, A.S., Fan selection and stack design for open-cathode polymer electrolyte fuel cell stacks, Renew. Energy, 2012, vol. 37, no. 1, p. 325.
  6. Sasmito, A.P., Birgersson, E., and Mujumdar, A.S., A novel flow reversal concept for improved thermal management in polymer electrolyte fuel cell stacks, Intern. J. Therm. Sci., 2012, vol. 54, p. 242.
  7. Sasmito, A.P., Lum, K.W., Birgersson, E., & Mujumdar, A.S., Computational study of forced air-convection in open-cathode polymer electrolyte fuel cell stacks, J. Power Sources, 2010, vol. 195, no. 17, p. 5550.
  8. Shahsavari, S., Desouza, A., Bahrami, M., & Kjeang, E., Thermal analysis of air-cooled PEM fuel cells, Intern. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, no. 23, p. 18261.
  9. Akbari, M., Tamayol, A., and Bahrami, M., Thermal assessment of convective heat transfer in air-cooled PEMFC stacks: an experimental study, Energy Procedia, 2012, vol. 29, p. 1.
  10. Faddeev, N., Anisimov, E., Belichenko, M., Kuriganova, A., & Smirnova, N., Investigation of the Ambient Temperature Influence on the PEMFC Characteristics: Modeling from a Single Cell to a Stack, Processes, 2021, vol. 9, no. 12, p. 2117.
  11. Bhaiya, M., Putz, A., and Secanell, M., Analysis of non-isothermal effects on polymer electrolyte fuel cell electrode assemblies, Electrochim. Acta, 2014, vol. 147, p. 294.
  12. Springer, T.E., Zawodzinski, T.A., and Gottesfeld, S., Polymer electrolyte fuel cell model, J. Electrochem. Soc., 1991, vol. 138, no. 8, p. 2334.
  13. Natarajan, D. and Van Nguyen, T., A two-dimensional, two-phase, multicomponent, transient model for the cathode of a proton exchange membrane fuel cell using conventional gas distributors, J. Electrochem. Soc., 2001, vol. 148, no. 12, p. A1324.
  14. Plawsky, J. L., Transport Properties of Materials, Transport Phenomena Fundamentals. CRC Press, 2020. p. 81-128.
  15. Weber, A.Z., Borup, R.L., Darling, R.M., Das, P.K., Dursch, T.J., Gu, W., & Zenyuk, I.V., A critical review of modeling transport phenomena in polymer-electrolyte fuel cells, J. Electrochem. Soc., 2014, vol. 161, no. 12, p. F1254.
  16. Holzer, L., Pecho, O., Schumacher, J., Marmet, P., Stenzel, O., Büchi, F.N., & Münch, B., Microstructure-property relationships in a gas diffusion layer (GDL) for Polymer Electrolyte Fuel Cells, Part I: effect of compression and anisotropy of dry GDL, Electrochim. Acta, 2017, vol. 227, p. 419.
  17. Holzer, L., Pecho, O., Schumacher, J., Marmet, P., Stenzel, O., Büchi, F.N., & Münch, B., Microstructure-property relationships in a gas diffusion layer (GDL) for Polymer Electrolyte Fuel Cells, Part II: pressure-induced water injection and liquid permeability, Electrochim. Acta, 2017, vol. 241, p. 414.
  18. Vetter, R. and Schumacher, J. O., Experimental parameter uncertainty in proton exchange membrane fuel cell modeling. Part II: Sensitivity analysis and importance ranking, J. Power Sources, 2019, vol. 439, p. 126529.
  19. Vichard, L., Petrone, R., Harel, F., Ravey, A., Venet, P., & Hissel, D., Long term durability test of open-cathode fuel cell system under actual operating conditions, Energy Convers. Manag., 2020, vol. 212, p. 112813.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема испытательного стенда.

Скачать (279KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Вольт-амперные и мощностные характеристики при температуре окружающей среды 10°C (а); зависимость удельной мощности от температуры окружающей среды.

Скачать (367KB)
Метаданные

Примечание

Публикуется по материалам IX Всероссийской конференции с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”, Черноголовка, 2022.


© Российская академия наук, 2024