Принцип топливных элементов (FC) был заложен в начале 1800-х годов. Однако только в последнее время ТС стали перспективной альтернативой двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и поэтому рассматриваются для транспортных (автомобильных, морских и аэрокосмических) применений и распределенного производства электроэнергии. ТЭЦ очень эффективны, потому что они основаны на электрохимии, а не на сжигании. В частности, вода, электрическая энергия и тепло создаются путем сочетания водорода и кислорода. Основные прорывы, которые недавно выдвинули FC на передний план, включают разработку мембран с низким сопротивлением, высокодиффузионных электродов и снижение использования катализаторов из благородных металлов. Кроме того, эффективная силовая электроника и электродвигатели теперь могут эффективно использовать и распределять электроэнергию, вырабатываемую ФК. Все эти достижения привели к многочисленным экспериментальным демонстрациям.
Наша способность точно контролировать поток реактива и давление, температуру дымовой трубы и влажность мембраны имеет решающее значение для эффективности и прочности системы FC в реальных условиях эксплуатации. Эти критические параметры FC необходимо контролировать для широкого диапазона условий эксплуатации с помощью ряда исполнительных механизмов, таких как реле, клапаны, насосы, двигатели компрессоров, расширительные лопатки, двигатели вентиляторов, увлажнители и конденсаторы. Точный контроль с низкими паразитными потерями является сложной задачей вспомогательной системы ФК. Кроме того, следует разработать методы оценки и диагностики в режиме реального времени, чтобы расширить ограниченные возможности обнаружения в ЖК.
Наконец, моментальный снимок промышленной сферы FC, а именно, партнерства и совместные предприятия между автомобильными компаниями, поставщиками компонентов и лабораториями разработок, показывает, что существует острая потребность в модульных архитектурах управления. Например, транспортные средства типа FC имеют контроллеры штабеля и транспортного средства (например, шасси, охлаждение) и контроллеры тягового электродвигателя (ТМ). Руководящие принципы иерархии и координации деятельности всех этих контролеров позволят обеспечить их независимое развитие и минимальный уровень интеграции.
Взаимодействие между многими тепловыми, химическими, электрическими и психрометрическими подсистемами требует сложных моделей, которые не просты в компиляции и использовании в контроллерах на базе моделей.
Работа на топливных элементах
Системы FC (FCS) требуют интеграции химических, жидкостных, механических, тепловых, электрических и электронных подсистем. Понимание важных физических переменных и лежащих в их основе взаимодействий необходимо для проектирования системы и общей производительности.
Существуют различные типы ТС, отличающиеся в основном типом используемых в элементах электролитов, включая полимерные электролиты (PEMFC, также известные как протонообменные мембраны), щелочные ТС (AFC), фосфорную кислоту (PAFC), расплавленный карбонат (MCFC) и твердооксид FC (SO4). Различия в характеристиках элементов, материале элементов, рабочей температуре и топливе должны учитываться для различных применений. Работая при температуре ниже или около температуры кипения воды, PEMFC и AFCs полагаются на протоны или гидроксильные ионы в качестве основных носителей заряда в электролите, а в высокотемпературных FCs (MCFC и SOFC) - на карбонатные ионы и ионы заряда кислорода. Способность MCFC и SOFC работать с карбонатными ионами и ионами кислорода делает их топливо гибким. PEMFCs обладают высокой удельной мощностью, твердым электролитом, длительным сроком службы, а также низкой коррозией. PEM FC работают в температурном диапазоне 50-90 C, что позволяет быстро запускать и выключать их.
PEMFC используют химическую энергию реакции водорода и кислорода (с этого момента именуемые "топливо") для производства электроэнергии, воды и тепла. Топливо проходит через впускные коллекторы к полям потока. Из проточных полей газ диффундирует через пористые среды к мембране. Она, зажатая в середине ячейки, обычно содержит каталитический и микропористый диффузионные слои, а также прокладки в виде единого интегрированного блока. С одной стороны мембраны находится анод, а с другой - катод. Анод и катод обычно описываются как электроды. Слой катализатора на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны. Мембрана обеспечивает перенос ионов (протоны водорода), позволяя электронам проходить через внешний контур перед рекомбинированием с протонами и кислородом на катоде для образования воды. Эта миграция электронов производит электричество, что является полезной работой.
Электрические характеристики ТС обычно представлены в виде кривой поляризации, которая представляет собой график зависимости напряжения в ячейке от плотности тока (тока на единицу активной зоны ячейки) при различных давлениях и потоках реактора. Температура дымовой трубы и содержание воды в мембране также влияют на напряжение FC. Разница между фактическим и идеальным напряжением представляет собой потерю в ячейке, которая превращается в тепло. Чем больше тока потребляется от ТП, тем ниже напряжение из-за электрического сопротивления ТП, неэффективности транспортировки газа реактора и низкой скорости реакции. Низкое напряжение указывает на более низкую эффективность работы ПЧ, поэтому предпочтительнее работать с малой нагрузкой (малым током). Однако, работа при низкой нагрузке требует большой FC стек, что отрицательно сказывается на общем объеме, весе и стоимости.
Вместо того, чтобы увеличивать размеры FC стека, серия приводов, таких как клапаны, насосы, воздуходувки, расширительные лопатки, двигатели вентиляторов, увлажнители и конденсаторы используются для управления важными FC параметрами для широкого диапазона установки тока и, следовательно, мощности. Вспомогательные приводы необходимы для точной и быстрой регулировки, чтобы соответствовать стандартам производительности, безопасности и надежности, которые не зависят от возраста и условий эксплуатации. Возникающая в результате многомерная задача синтеза проектирования и управления, также известная как "баланс завода" (BOP), является сложной из-за взаимодействия подсистем, противоречивых целей и отсутствия датчиков.
Выводы
В настоящее время рассматриваются проблемы, связанные с определением размеров и управлением системами топливных элементов. Во многих публикациях говорится о необходимости системного подхода к контролю за планами питания топливных элементов. Поскольку большая часть этих публикаций содержится в литературе по химии и химической инженерии, они не всегда доступны для контрольного сообщества. Эта область быстро развивается, и, хотя она вызывает большой интерес, существует также много проблем.
Эти проблемы могут быть решены с помощью систематических инструментов, таких как физические модели и модели, основанные на проектировании управления. Наконец, топливные элементы обеспечивают захватывающие испытательные стенды для образовательных мероприятий. Они нуждаются в многопрофильных командах и приносят большую пользу в силу своей экологической значимости.