SYSTEM ZASILANIA WODOREM OGNIWA PALIWOWEGO PEM NIEZALEŻ NEGO OD POWIETRZA

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LII NR (185) 011 Grzegorz Grzecza Piotr Szyma Aademia Marynari Wojennej SYSTEM ZASILANIA WODOREM OGNIWA PALIWOWEGO PEM NIEZALEŻ NEGO OD POWIETRZA STRESZCZENIE Coraz częściej do zasilania różnego rodzaju urządzeń i pojazdów, przeznaczonych zarówno do zastosowań cywilnych, ja i militarnych, wyorzystuje się wodorowe ogniwa paliwowe. Jednym z bardziej popularnych ogniw wodorowych są nisotemperaturowe ogniwa typu PEM (Proton Exchange Membrane). W przypadu ich stosowania w warunach bez dostępu powietrza (np. pod wodą) istnieje potrzeba dostarczania do ogniwa i czystego wodoru, i czystego tlenu. W niniejszym artyule przedstawiono architeturę systemu zasilania wodorem ogniwa paliwowego typu PEM przeznaczonego do pracy w warunach podwodnych. Dodatowo przedstawiono wybrane wynii rzeczywistej realizacji omawianego systemu. Słowa luczowe: ogniwo paliwowe PEM niezależne od powietrza, sterowanie przepływem wodoru. WSTĘP Polimerowe ogniwa paliwowe są urządzeniami eletrochemicznymi, tóre wytwarzają energię użyteczną (eletryczność, ciepło) w wyniu reacji chemicznej wodoru z tlenem. Produtem ubocznym jest woda. Reacja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i eletron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reacji na atodzie. Procesom eletrochemicznym towarzyszy przepływ eletronu od anody do atody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniu eletrochemicznej reacji wodoru i tlenu powstaje prąd eletryczny, woda i ciepło. Paliwo wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) podawany jest w sposób ciągły do atody. 39

2 Grzegorz Grzecza, Piotr Szyma Konfiguracja systemu zasilania wodorem zależy od wielu czynniów. Teoretycznie najprostsze rozwiązanie systemu mogłoby wyglądać ja na rysunu 1. Jedynym wymaganym elementem jest redutor ciśnienia, jedna długoterminowa praca ta zasilanego ogniwa możliwa byłaby tylo przy zachowaniu estremalnej czystości zarówno wodoru, ja i tlenu. Nieuninione zanieczyszczenia w wodorze i ta w ońcu zgromadzą się na anodzie. Ponadto zgromadzi się para wodna, szczególnie przy nisich gęstościach prądu. Rys. 1. Schemat najprostszego teoretycznego system zasilania wodorem Źródło: opracowanie własne. Powoduje to onieczność wprowadzenia zaworu umożliwiającego otwarcie wylotu systemu. Jego otwarcie powinno być funcją napięcia cel (szczególnie ońcowych) oraz czasu. Jeżeli z powodów bezpieczeństwa, zachowania bilansu mas czy zwięszenia efetywności uładu wylot wodoru jest niepożądany, a taa sytuacja występuje w pojazdach podwodnych, onieczne jest zastosowanie rozwiązania przedstawionego na rysunu. Wodór z wyjścia stosu paliwowego po odpowiednim sprężeniu jest podawany na wejście stosu. Należy pamiętać o odpowiednim odseparowaniu wody, a jednocześnie utrzymaniu właściwego nawilżenia wodoru doprowadzanego do wejścia stosu. PEM K o l e t o r M Pompa recyrulacyjna Nawilżacz zanieczyszczony Redutor ciśnienia Rys.. Schemat realizowanego systemu zasilania wodorem Źródło: opracowanie własne. 40 Zeszyty Nauowe AMW

3 System zasilania wodorem ogniwa paliwowego PEM niezależnego od powietrza Typowo wilgotność względna wodoru na wejściu do stosu powinna być zbliżona do stu procent w celu zachowania eletroosmotycznych właściwości membrany. Dlatego oniecznym elementem systemu zasilania wodorem jest nawilżacz. Ta wiec onfiguracja systemu wodoru przedstawiona na rysunu. stała się podstawą do badań modelowych i realizacji systemu. ZAŁOŻENIA MODELU MATEMATYCZNEGO SYSTEMU ZASILANIA WODOREM Przyjęto, że podsystem zasilania wodorem słada się z: regulatora ciśnienia P podłączonego do źródła wodoru, nawilżacza i pompy recyrulacji wodoru. Z puntu widzenia sterowania sygnałem wejściowym dla podsystemu zasilania wodoru jest napięcie zasilające pompę, a wyjściowym natężenie przepływu wodoru przez przedział anody ogniwa paliwowego. Model podsystemu zasilania wodoru może więc być zbudowany na podstawie schematu poazanego na rysunu 3. Ciśnienie wodoru wewnątrz rurowego systemu zasilania jest bezpośrednio sterowane przez regulator ciśnienia, stąd też dynamia zmienności ciśnienia w przedziale wodoru zależy od charaterystyi regulatora ciśnienia [5]. Rys. 3. Schemat modelu podsystemu zasilania wodorem ogniwa paliwowego PEM Źródło: opracowanie własne. (185)

4 Grzegorz Grzecza, Piotr Szyma Ciśnienie w przedziale wodoru może być sterowane przez mechaniczny regulator ciśnienia, tóry sprzęga wysoie ciśnienie (standardowo bar) pojemnia magazynowania wodoru z nisim ciśnieniem systemu rurowego zasilania wodoru. Poprzez obciążenie wstępne sprężyny ustawia się żądane ciśnienie robocze. Podczas działania zawór sterowany wewnątrz regulatora ciśnienia dostraja natężenie przepływu w przedziale wodoru dla sterowania ciśnieniem do żądanego poziomu. Dla potrzeb regulacji ciśnienia do ustalonego poziomu przez wstępnie obciążoną sprężynę wyorzystywana jest hydro-mechaniczna pętla zwrotna (zrealizowana przez szereg połączonych ze sobą bardzo czułych objętości czujniów). Dynamia zamniętej pętli regulacji zależy od doładnej geometrii różnych objętości czujniów i połączeń wzajemnych razem z charaterystyą tarcia inetycznego i spoczynowego. Oreślony typ regulatora ciśnienia charateryzuje się minimalnym spadiem ciśnienia, jaie musi na nim wystąpić przy zadanym ciśnieniu wyjściowym i natężeniu przepływu. Ponadto charateryzuje się oreślonymi stałymi czasowymi otwarcia i zamnięcia zaworu (rzędu ilu seund). Dlatego też istotne jest uwzględnienie tych parametrów przy sterowaniu pracą systemu ogniwa paliwowego. Przystosowując równania pracy sprężari powietrza do pompy recyrulacji wodoru (ydrogen Pump), otrzymuje się model w przestrzeni stanów zapisany za pomocą następujących zależności: gdzie: di d dt ω dt R L = J t, L J t, f, i ω 1 + L 0 [ V ] (1) i m& = [ 0 m, ] () ω f, współczynni całowitego tarcia w [Nm s/rad]; t, stała momentu obrotowego silnia w [Nm/A]; ω prędość obrotowa pompy w [rad/s]. Dla nowoczesnych pomp recyrulacji wodoru z wbudowanym sterowniiem szybiego prądu można założyć, że zadana wartość prądu silnia jest sygnałem wejściowym użytownia. Stąd też równania (1) i () reduują się do postaci: 4 Zeszyty Nauowe AMW

5 System zasilania wodorem ogniwa paliwowego PEM niezależnego od powietrza d ω f, t = ω, + dt J J m& = m, Ze względu na to, że system przewodów rurowych zasilania wodoru S (ydrogen Supply) reprezentuje zamniętą pętlę, to sama dynamia ciśnienia może być wyrażona poprzez równowagę masy w objętości systemu przewodów rurowych następująco [5]: dms = m& in m, &, out (5) dt dps = RT RT Iel ( m& ) =, in m&, out m&, PR M dt V M V M F (6) gdzie m & = f, PR S ( p ) S ω S Nawilżenie wlotowego gazu do żądanej wartości względnej wilgotności wymaga obliczenia wymaganej ilości wody, tóra musi być wprowadzona do tego gazu. W tym celu niezbędny będzie statyczny model nawilżacza. Model ten dodatowo umożliwia oreślenie zmiany w całowitym natężeniu przepływu i ciśnienie spowodowane wprowadzeniem dodatowej wody. Załadając, że: temperatura przepływu jest stała, woda wprowadzana jest do gazu w formie pary wodnej, a ilość wprowadzanej pary wodnej jest obliczana na podstawie przepływu pary wodnej na wyjściu elementu chłodzącego i żądanego przepływu pary wodnej dla zapewnienia zadanej wilgotności ψ des, natężenie przepływu wprowadzanej do gazu (np. wodoru) pary wodnej można obliczyć, orzystając z zależności [5]: gdzie: M V M p, dry m & v, inj m&, v, & m, dry m & M ( T ) V des sat v, inj = m, dry M p, dry ψ masa molowa pary wodnej; masa molowa suchego wodoru; ciśnienie suchego wodoru; p &. funcja ciśnienia wodoru, może być obliczona przy użyciu prezentowanych wcześniej równań dyszy. i ; m& natężenie przepływu wprowadzanej pary wodnej, pary wodnej wychodzącej z uładu chłodzenia, suchego wodoru. v (3) (4) (7) (185)

6 Grzegorz Grzecza, Piotr Szyma Ilość wody wewnątrz zamniętego podsystemu zasilania wodoru może być oreślona przy zastosowaniu zależności na współczynni transferu wody oreślony w modelu stosu ogniw paliwowych. Ze względu na to, że molowa fracja wody na wlocie ogniwa paliwowego zależy od ilości wody sroplonej w systemie, wartość wilgotności wodoru najlepiej uzysiwać w wyniu jego pomiaru bezpośredniego. Model został zaimplementowany w środowisu Simulin, a wynii symulacji posłużyły do doboru parametrów elementów rzeczywistego systemu. REALIZACJA SYSTEMU Rzeczywisty uład zrealizowany został zgodnie z założeniami przedstawionymi w poprzednich puntach. Połączenia wyonano rurami o średnicy 8 mm ze stali wasoodpornej. Do reducji ciśnienia gazu wyorzystano typowy redutor umożliwiający reducję do bar. Taie ciśnienie zapewnia oreślony przez model przepływ na poziomie 0 ln/min. Do nawilżania gazu zastosowano nawilżacz typu FC firmy PERMA PURE LLC wyorzystujący osmotyczne właściwości nafionu. Do recylingu wodoru zastosowano pompę membranową. Właściwa realizacja wprowadzania wodoru z wyjścia stosu na jego wejście wymagała wyonania oletora umożliwiającego mieszanie gazów oraz odprowadzanie nadmiaru wody. Implementacja została poazana na fotografii 1. Fot. 1. Realizacja oletora umożliwiającego recyrulację wodoru Źródło: fotografia wyonana przez autorów. 44 Zeszyty Nauowe AMW

7 System zasilania wodorem ogniwa paliwowego PEM niezależnego od powietrza WNIOSKI Zaproponowany w artyule podsystem zasilania wodorem jest jednym z najprostszych rozwiązań w realizacji systemu zasilania opartego na ogniwie paliwowym PEM do pracy w warunach bez dostępu powietrza. Zaprojetowany na podstawie teorii działania ogniwa paliwowego typu PEM oraz modelu matematycznego system zasilania wodorem ogniwa o mocy 5 W spełnił swoje zadanie i umożliwia długotrwałą, stabilną i bezpieczną pracę stosu. System uzupełniony został przetworniami pomiarowymi umożliwiającymi ontrolę oraz wizualizację stanów esploatacyjnych tego uładu. BIBLIOGRAFIA [1] Grzecza G., Szyma P., Opracowanie technologii rezerwowego zasilania eletrycznego orętu podwodnego z zastosowaniem wodorowego ogniwa paliwowego, sprawozdanie z pracy badawczej, Aademia Marynari Wojennej, Gdynia 008. [] Laeman B., Browing D., The Role of Fuel Cells in the Supply of Silent Power for Operations in Littoral Waters; internet, GetTRDoc?AD=ada48713&Location=U&doc=GetTRDoc.pdf, 004. [3] Szczęsna-Kaczmare A., Physiological characteristic of transition from an oxygen deficit to steady state during submaximal exercise: Comparison children and young adults, Annales Universitatis Mariae Curie-Słodowsa, 005, Vol. LX, Suppl. XVI, 57, pp [4] Szyma P., Control of supply subsystems of fuel cell stac, Proceedings of the 3nd ydrogen & Energy Symposium, Empa Materials Science and Technology, Braunwald 009, pp [5] Szyma P., Model matematyczny stosu ogniwa paliwowego PEM zasilanego czystym tlenem i wodorem, Logistya, 009, nr 3, s YDROGEN SYSTEM FOR SUPPLYING AIR INDEPENDENT PEM FUEL CELL ABSTRACT ydrogen fuel cells are more and more often used to drive different devices and vehicles both for civilian and military applications. One of the more popular hydrogen fuel cells is low- -temperature PEM (Proton Exchange Membrane). When used without access to air, e.g. in underwater (185)

8 Grzegorz Grzecza, Piotr Szyma conditions, such cells have to be fed with both hydrogen and oxygen. The paper presents an architecture of a PEM type fuel cell hydrogen supply subsystem designed to wor in underwater conditions. Additionally, it includes some chosen results of real realization of the system presented. Keywords: air independent PEM fuel cell, control of hydrogen flow. Recenzent dr hab. inż. Bogusław Łazarz, prof. PŚ 46 Zeszyty Nauowe AMW