РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Цель данной работы разработка и расчет силовой установки на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом, которая сможет заменить литий- полимерный аккумулятор, использующийся для беспилотного летающего аппарата.

Литературный обзор содержит: классификацию и принцип работы топливных элементов [2], области применения электроэнергетических установок на базе твердополимерных топливных элементов[4;3], описание системы хранения водорода для использования его на транспортных средствах[5;1].

Экспериментальная часть посвящена исследованию рабочих вольтамперных характеристик подготовленных мембранно-электродных блоков. Для выполнения расчета используется тестовая станция, включающая в себя следующие элементы:

• Тестовая станция для испытания топливных элементов водорода (Hydrogenics G40);
• Система получения и хранения водорода для тестовой станции;
• Система подачи окислителя для тестовой станции, включающую в себя воздушную компрессорную установку с регулировочным вентилем;
• Система подачи химически очищенной воды, необходимой для работы увлажнителей

Для тестирования МЭБ использовалась ячейка площадью 25см² фирмы Electrochem, которая имеет подогрев, два переходника под трубки на входе и два на выходе для подключения линий подачи реагентов, также имеются отверстия для подключения термопар на анодной и катодной сторонах.

Испытания проводятся по следующей методике:

1. Проверяем ЭДС подключенного МЭБ при комнатной температуре и расходах газов G_H2=0,2 л/мин и G_O2=2 л/мин без увлажнения.
2. Выставляем режим один из четырех:
3. Подача газов без увлажнения;
4. Увлажнение анодного реагента (водорода) 100%;
5. Выставляется режим потенциостата от U= 800мВ и снимаются характеристики МЭБ в течение 2÷3 часов, чтобы стабилизировалась температура ячейки и остальные параметры, поскольку ячейка имеет самонагрев от большого тока.
6. С отрицательным шагом ΔU=50÷100мВ, устанавливаем следующий режим потенциостата.
7. Снимаем характеристики до U= 400мВ.

Обработка полученных результатов.

После снятия ВАХ при всех указанных режимах, обрабатываем результаты, чтобы получить кривые. Переводим выдаваемую мощность ячейки в удельную (мВт/см²). И строим дополнительный график по мощности. Поскольку наша ячейка имеет самонагрев то необходимо указать температуру в каждой точке графика. Для этого строим дополнительный график по которому, с некоторыми допущениям находим температуру при определенных токах.

Строим график ВАХ и график удельной мощности от плотности тока. Зная режим, приписываем каждому значению тока температуру, которую ячейка поддерживает во время испытания.

График 1. Температура ячейки в зависимости от плотности тока.

График 2. ВАХ МЭБ для БПЛА при различных режимах увлажнения газов.

График 3. Удельная мощность при различных режимах увлажнения газов.

На основе такого МЭБ был произведен расчет БТЭ, включающую систему хранения и контроллер подачи водорода. По результатам получились следующие характеристики БТЭ:

• U=37,2 В;
• I=21,0 А;
• P=660 Вт;
• Габариты 120х155х80 мм;
• Масса 1,450 кг

Результаты расчета показали, что при одной массе источника тока, использующегося в БПЛА и рассчитанного БТЭ, последний в роли энергоустановки БПЛА может проделать путь более чем в 6 раз больший, чем заявленный заводом изготовителем литий-полимерный аккумулятор.

В ходе работы были выделены основные достоинства и недостатки ТЭ для ТС:

Достоинства:

• Экологическая безопасность, поскольку удельные выбросы вредных компонентов из ЭУ с ТЭ на 1,5 – 2,5 порядка ниже выбросов из традиционных ЭУ;
• Они практически бесшумны и потребляют на порядок меньше воды;
• Высокий КПД (от 40 до 70 %), который мало зависит от установленной мощности и нагрузки;
• Возможность использования различных видов топлива;
• Модульный характером ЭУ, обеспечивающий возможность их быстрого монтажа;
• Одновременная выработка электроэнергии и тепла;

Недостатки:

• Высокая стоимость

Список литературы:

1. Ажажа В. М. «Материалы для хранения водорода: анализ тенденций развития на основе данных об информационных потоках» Харьков, 2001г.
2. Коровин Н. В. «Топливные элементы и электрохимические установки», «МЭИ», 2005
3. Коровин, Н. В. «Электрохимические генераторы» - М.: Энергия, 1974. – 208 с.;
4. Тимонов, А. М. «Твердые полимерные электролиты: структура, свойства и применение», образовательный журнал. – 2000. – Т.6 № 80, С. 69-75;
5. Rahul Krishna, Elby Titus, Maryam Salimian,  «Hydrogen Storage for Energy Application» CC BY, September 5, 2012