Функционирование автоматизированного энергетического модуля на основе топливных элементов для морских подводных объектов большой дальности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Юшков Антон Владимирович

• Юшков Антон Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Юшков Антон Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

1.1 Основные типы топливных элементов

1.2 История развития электрохимических генераторов

1.3 Сопоставление рабочих процессов в электролитах и

электролитоносителях топливных элементов

1.4 Особенности рабочих процессов в твердооксидном топливном элементе

1.5 Сравнение кинетики электродных реакций в щелочном и твердополимерном топливных элементах

1.6 Сравнение чувствительности катализаторов топливных элементов к примесям

1.7 Сравнение коррозионной стойкости в топливных элементах

1.8 Надежность и эффективность работы топливных элементов

1.9 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ ИЗ СОСТАВА ЭНЕРГОБЛОКА

ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

2.1 Общие положения

2.2 Математическое моделирование основных параметров регулирования водородно-кислородной установки с электрохимическим генератором

2.3 Аналитическое описание блок-модуля с водородно-кислородной энергетической установкой на основе твердополимерного топливного элемента

2.4 Аналитическое описание энергетического модуля с водородно-кислородной энергетической установкой на основе щелочного топливного элемента

2.5 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДВИЖЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА МОРСКОГО ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА БОЛЬШОЙ ДАЛЬНОСТИ С

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ

3.1 Описание энергетической установки морского подводного объекта на основе батареи топливных элементов

3.2 Алгоритм расчета характеристик морского подводного объекта с батареей топливных элементов

3.3 Математическое моделирование теплообменных процессов энергетического модуля и результаты теплового расчета энергоотсека морского подводного объекта на основе топливных элементов

3.4 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОТСЕКА С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ МОРСКОГО ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА

4.1 Экспериментальный стенд для исследований работоспособности батареи топливных элементов в энергетическом отсеке морского подводного объекта

4.2 Оценка погрешности измерения температуры воды в баке, воздуха в отсеке и расхода водопроводной воды

4.3 Основные результаты экспериментальных исследований рабочих процессов ячейки с твердополимерным электролитом

4.4 Анализ результатов экспериментальных исследований рабочих процессов электролизной установки

4.5 Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ МОРСКИХ ПОДВОДНЫХ ОБЬЕКТОВ

5.1 Назначение и область применения системы управления

5.2 Технические характеристики системы управления энергоустановки

5.3 Алгоритмы построения системы управления

5.4 Функции, выполняемые системой управления водородно-кислородной

энергетической установкой

5.5 Структурное построение системы управления водородно-кислородной

энергетической установкой

5.6 Выводы по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Таблицы расчета теплообменных процессов

ЭМ с ЭХГ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Акт об использовании результатов

диссертационной работы в учебный процесс СПбГМТУ

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) Акт о внедрении результатов диссертационной работы АО «Инжениус»

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Функционирование автоматизированного энергетического модуля на основе топливных элементов для морских подводных объектов большой дальности»

Актуальность темы исследования

Современные вызовы в области энергетики, экологии и промышленности делают исследования автоматизированных энергетических модулей (ЭМ) с электрохимическими генераторами (ЭХГ) для морских подводных объектов (МПО) большой дальности (БД) особенно актуальными [3,82]. Это связано с возрастающими требованиями к эффективности, автономности и экологической безопасности энергетических систем, которые используются в условиях ограниченного пространства и высоких нагрузок подводной среды. Рассмотрим основные аспекты, обосновывающие актуальность данного исследования.

МПО требуют высокоэффективных и компактных источников энергии, способных обеспечивать длительное автономное функционирование. ЭХГ на основе топливных элементов (ТЭ) обладают высокой удельной энергоемкостью, что делает их перспективным решением для увеличения времени автономной работы подводных объектов.

Традиционные источники энергии, такие как дизель-электрические установки, сопровождаются выбросами углекислого газа СОг и других вредных веществ, что ограничивает их применение в условиях строгих экологических требований. ЭХГ, использующие водород или другие чистые энергоносители, практически исключают выбросы загрязняющих веществ, что делает их экологически безопасным решением для подводных объектов.

Использование автоматизированных систем управления для ЭХГ позволяет минимизировать человеческое вмешательство, что особенно важно в условиях ограниченного пространства и высоких требований к безопасности в подводных объектах.

Подводная среда характеризуется высокими давлениями, низкими температурами и ограниченным доступом к необходимым ресурсам. Исследование функционирования ЭХГ в таких условиях позволяет определить оптимальные режимы работы и повысить надежность этих систем.

Глобальная тенденция перехода на водородные технологии делает исследования в области ЭХГ для морских объектов особенно актуальными. Такие установки могут стать частью общей стратегии использования водорода как универсального энергоносителя, что открывает новые перспективы для применения ЭХГ не только в подводных, но и в надводных судах.

Исследования в области энергетики подводных объектов имеют важное значение для страны. ЭХГ могут стать ключевым элементом энергетического обеспечения новых поколений морских объектов, обеспечивая конкурентоспособность отечественных технологий на мировом уровне. ЭХГ работают практически бесшумно и выделяют минимальное количество тепла. Это дает преимущество перед традиционными энергетическими установками.

Все вышеперечисленное также подтверждается разработанными государственными программами[58,64,65,66], нацеленными на развитие водородной энергетики и создания перспективных морских подводных объектов в интересах РФ.

Исследование проводилось при выполнении опытно конструкторской работы по государственному контракту [22]. Техническим заданием на опытно-конструкторскую работу предусмотрено выполнение проработки вариантов отечественных образцов водородно-кислородных энергетических установок и разработку математических моделей и методик расчета, подтверждающих эффективное функционирование энергетического модуля с ЭХГ в составе МПО.

Степень разработанности темы исследования

Фундаментальные научные исследования, ставшие основой для развития теории ЭХГ и электрохимических процессов проводились такими известными учеными, как: Фарадей М., Нернст В., Аррениус С., Гиббс Д., Грёв Т., Сабатье П., Оствальд В., Бокрис Д., А. Фрумкин Н., Бэкон Ф., Кистяковский В. А., Грове В., Ферчайлд Р. и др. Современные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы отечественных водородно-кислородных энергоустановок (ВКЭУ) с ЭХГ проводились с участием и под руководством таких известных научных деятелей в своих областях знаний, как: Архипов А.В., Аршинов А.Н.,

Байчтюк Ю.К., Берденников А.А., Бойков В.П., Болодьян И.А., Губанов Ю.А., Душин Ю.К., Енгошин В.В., Ефимов А.В., Живулько С.А., Жиров В.П., Зинин В.И., Зосимов В.А., Иваницкий Б.А., Иванов Р.А., Калинин А.Г., Калмыков А.Н., Касимов О.Г., Кириллов В.А., Кожемякин В.В., Лафер Р.И., Лидоренко Н.С., Ляпидов К.С., Минеев Ю.К., Петров С.А., Половинкин В.Н., Порембский В.И., Прохоров Н.С., Разин А.Ф., Русанов В.Р., Синченко Ю.Н., Симонов Р.И., Скачков Ю.В., Соколов В.С., Тимофеев С.В., Туманов В.Л., Ушаков В.Г., Фатеев В.Н., Филин Н.В., Хорошев В.Г., Ясаков Г.С. и др.

Дядик А.Н., Замуков В.В., Коровин Н.В., Никифоров Б.В. внесли существенный вклад в концепцию размещения ЭХГ для МПО.

Кондратьев Д. Г., Матренин В. И., Овчинников А. Т., Поспелов Б. С., Потанин А. В., Стихин А. С., Шихов Е. Г., Щипанов И. В. уделили внимание исследованию основных причин деградации ВАХ в ТЭ.

Андреев В.М., Шаманов Н.П., Лабинский А.Ю., Кожемякин В.В. внесли существенный вклад в разработку струйных аппаратов для ЭХГ.

Багоцкий В.С. Чизмаджов Ю.А. Шафигулин, Р. В. уделили внимание исследованию кинетики реакции в ТЭ.

Шилов К.Ю., Сурин С.Н., Бакуменко Л.Г., Балакин А.В. уделили серьезное внимание исследованию вопросов автоматизации энергетических установок с ЭХГ для морских подводных объектов.

Ландграф И.К., Аваков В.Б., Ковалевский В.П. внесли существенный вклад в развитие отечественных энергетических установок с ТПТЭ, ЩТЭ и ТОТЭ. С их участием были разработаны и испытаны опытные образцы отечественных ЭХГ.

В результате проведенных работ были достигнуты значительные результаты и разработаны отечественные опытные образцы ЭХГ с ТПТЭ и ЩТЭ, однако в отечественной науке в настоящий момент существует недостаток специализированных исследований, посвященных конкретным аспектам интеграции ЭХГ в МПО и соответственно автоматизации работы ВКЭУ с ЭХГ в условиях МПО. Морская среда предъявляет уникальные требования к энергоустановкам (ЭУ) с ЭХГ, включая воздействие соленой воды, давления и

температуры. Отсутствуют масштабные полевые испытания ЭХГ в условиях подводных объектов в отечественной практике. Таким образом, функционирование ЭХГ в энергетическом отсеке (ЭО) МПО и его автоматизация является актуальной задачей. Необходимы дальнейшие исследования и разработки для понимания всех факторов, влияющих на эффективность и безопасность таких систем в условиях подводной среды.

Цели и задачи диссертационного исследования

Целью настоящей диссертационной работы является разработка конструкторско-технологических решений, обеспечивающих эффективное функционирование энергетического модуля с топливными элементами в составе морского подводного объекта.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выполнен сравнительный анализ характеристик топливных элементов на предмет применения в составе МПО БД и разработано аналитическое описание ЭМ на основе отечественных опытных образцов с ТПТЭ и ЩТЭ.

2. Разработана математическая модель ВКЭУ с электрохимическим генератором.

3. Разработана методика расчета максимальной скорости для движения МПО БД заданных размеров, с заданной электрической мощностью ВКЭУ на основе топливных элементов.

4. Разработана методика расчета теплообменных процессов ЭО МПО БД с ВКЭУ на основе топливных элементов.

5. Проведены экспериментальные исследования и разработана система управления, обеспечивающая контроль параметров и управление исполнительными механизмами ВКЭУ.

Объектом исследования является водородно-кислородная энергетическая установка на основе топливных элементов.

Предметом исследования является математическое моделирование и автоматизация рабочих процессов в ЭМ на основе топливных элементов для морского подводного объекта.

Научная новизна

По результатам проведенной исследовательской работы можно выделить несколько аспектов новизны:

1. На основе сравнительного анализа кинетики электродных реакций в ЩТЭ и ТПТЭ определено, что растворимость и коэффициенты диффузии кислорода и водорода через пленку электролита в ТПТЭ многократно превышает таковую в ЩТЭ, следовательно установлено, что ТПТЭ обеспечивает лучшую работоспособность при подаче окислителя с содержанием кислорода 21%.

2. Разработана математическая модель ВКЭУ с ЭХГ, в которой произведено описание составных частей ЭХГ: ТЭ, регулятор давления, клапан давления и его электропривод, подача топлива и окислителя.

3. В разработанной методике расчета максимальной скорости движения МПО с ЭХГ приведен алгоритм определения максимальной скорости МПО, учитывающий не только габариты МПО и потребление собственных нужд МПО и ЭХГ, но и изменение температуры, солености и глубины забортной воды.

4. В разработанной методике расчета теплообменных процессов МПО БД с ЭХГ распределение тепловой энергии в теплообменнике-конденсаторе произведено в том числе с учетом охлаждения пароводородной смеси, конденсации пара и охлаждения водорода. Представлены результаты расчета для граничных значений температуры забортной воды при движении в номинальном и форсажном режимах работы ЭУ, а также в режиме зависания МПО над поверхностью.

5. Разработанная экспериментальная установка в составе бака с водой и имитатора ЭО позволила получить экспериментальные данные, подтверждающие сходимость с теоретическими расчетами. На основании разработанных математических моделей в СУ ВКЭУ внедрены обучающие инструменты для оператора управления СУ ВКЭУ.

Теоретическая и практическая значимость работы

Проведенный сравнительный анализ рабочих характеристик топливных элементов позволяет определить предпочтительный тип топливного для применения в составе морского подводного объекта. Разработанное аналитическое

описание энергетического модуля с электрохимическим генератором раскрывает состав и функционирование элементов энергетического модуля. Разработанная методика движения позволяет определить максимальную скорость движения для морского подводного объекта заданных размеров с заданной мощностью энергетической установки. Разработанная методика теплообменных процессов позволяет определить потребную поверхность для отведения тепла, образовавшегося в результате работы батареи топливных элементов.

Результаты работы могут быть использованы при создании отечественных образцов морских подводных объектов с ВКЭУ и постановке продукции на производство в интересах РФ; конструкторских бюро, при проектировании образцов морской техники; предприятий - изготовителей изделий морской техники; заводов-строителей судов и морской техники; компаний-судовладельцев; компаний, осуществляющих морскую экономическую, научно-техническую и технологическую деятельность в области разведки морских полезных ископаемых, морской нефтедобычи и газодобычи, гидрографических и океанографических работ и др. Значительная часть результатов, полученных в ходе выполнения работы нашла применение при выполнении работ по государственному контракту [22]. Также автор принимал активное участие во внедрении разработанных решений при разработке и проведении испытаний системы управления ВКЭУ, что позволило оценить их эффективность и практическую значимость в реальных задачах.

Методология и методы исследования

При выполнении диссертационной работы используются расчетно-экспериментальные методы, методы моделирования, методы термодинамики, методы теории автоматического управления, методы физической химии, методы математического анализа и синтеза.

Положения, выносимые на защиту

- Результаты сравнительного анализа ТЭ.

- Математическая модель ВКЭУ с электрохимическим генератором для МПО БД.

- Методика расчета максимальной скорости для движения МПО БД заданных размеров с ВКЭУ на основе ТЭ.

- Методика расчета теплообменных процессов ЭМ ВКЭУ с ТЭ для МПО

БД.

- Экспериментальные исследования и результаты разработки СУ ВКЭУ.

Степень достоверности и апробация результатов

Научные публикации. Список трудов автора имеет семь публикаций по теме диссертации, 5 из которых включена в перечень ВАК.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семинаре кафедры СЯВЭ (СПбГМТУ), а также на следующих конференциях:

- Десятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики» 2021.

- Двенадцатая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики» 2023.

- Всероссийская конференция «Неделя науки» 2023.

- Тринадцатая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики» 2024.

Личный вклад

Личный вклад автора заключался в определении темы, постановке цели и задач работы, определении предмета исследования, решения теоретических вопросов, а также основные научные результаты работы. Автор разработал аналитическое описание ЭМ с топливными элементами, результаты опубликованы в статьях [79,81] и приведены во второй главе. Автор разработал математические модели функционирования ВКЭУ с ЭХГ, результаты опубликованы в статье [78] и приведены во второй главе. Автор принимал активное участие в проведении экспериментальных исследованиях, результаты опубликованы в статье [77] и приведены в четвертой главе. Также автор принимал непосредственное участие в разработке и испытаниях системы управления ВКЭУ, результаты опубликованы в статье [83] и приведены в пятой главе.

Обсуждение развития исследования происходило совместно с научным руководителем, доктором технических наук, профессором, ведущим научным сотрудником АО «Концерн «НПО «Аврора» Дядиком А. Н.

Автор благодарен научному руководителю Дядику А.Н. за ценные замечания и помощь по вопросам, возникавшим в процессе выполнения настоящего научного исследования.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с основными теоретическими положениями и выводами по каждой главе, заключения, списка сокращений, списка литературы. Диссертационная работа изложена на 130 листах (из которых 16 листов - приложения), содержит 33 рисунка и 7 таблиц, список литературы включает в себя 111 наименований, из которых 83 отечественных и 28 иностранных.

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

1.1 Основные типы топливных элементов

Современные МПО требуют высокоэффективных и надежных источников энергии для обеспечения долгосрочной работы в сложных и часто экстремальных условиях подводной среды. ТЭ представляют собой перспективную альтернативу традиционным источникам энергии, таким как аккумуляторы и дизельные генераторы, благодаря своей высокой энергетической плотности, низкому уровню выбросов и способности к бесшумной работе.

В данной главе представлен сравнительный анализ различных типов ТЭ, подходящих для применения в МПО. Основное внимание уделяется характеристикам, таким как эффективность, ресурс, устойчивость к коррозии, стоимость, простота эксплуатации и возможности интеграции в ЭМ МПО.

Анализ проводится для определения наиболее подходящего типа ТЭ для использования в составе ВКЭУ, что будет способствовать улучшению их эксплуатационных характеристик, увеличению времени автономной работы и сокращению воздействий на окружающую среду. Результаты данного исследования могут служить основой для дальнейших разработок и внедрения инновационных энергосистем в подводной технике, что в свою очередь окажет положительное влияние на развитие морских технологий и исследовательских миссий.

В качестве топлива применяется водород, окислителем служит кислород. Основанием для такого сравнения является возможность и целесообразность применения ЭХГ в качестве ВКЭУ для МПО БД. В этих условиях рассматриваемые типы ТЭ имеют неоспоримые преимущества перед ТЭ с фосфорнокислым, расплавкарбонатным электролитом [38]:

- более высокие удельные массовые и объемные характеристики;

- возможность эксплуатации при изменении мощности в широком диапазоне;

- способность выдерживать нагрузки больше номинальных, что важно для обеспечения форсажных режимов;

- низкая рабочая температура, обеспечивающая возможность быстрого запуска и быстрого достижения максимальной мощности ЭУ;

- более высокий уровень отработки конструкции, технологии эксплуатации и ТО.

Из всех типов ТЭ как наиболее предпочтительные рассматриваются элементы со ЩТЭ, ТПТЭ и ТЭ с твердооксидными электролитами (ТОТЭ). Эти типы ТЭ выбраны для сравнения, поскольку именно они разрабатывались для работы на водороде и кислороде и способны оперативно выходить на рабочие режимы с выдачей высоких значений плотности энергии. В Таблице 1.1 приведены основные сведения по каждому типу ТЭ.

Таблица 1.1 - Сравнение основных характеристик ТЭ

Характеристика Топливный элемент

ТПТЭ ЩТЭ ТОТЭ

Мембрана Твёрдый полимер Водный раствор КОН в пористой матрице Стабилизированная иттрием циркониевая керамика

Температура, оС 20-180 60-120 600-1000

Анодная реакция Н2 ^ 2Н+ + 2е Н2 + 20Н- ^ Н2О + 2е Н2 + О- ^ Н2О + 2е -СО + О- ^ СО2 + 2е -СН4 + 4О2_ ^ ^2ШО + СО2 + 8е-

Катодная реакция 0,502 + 2Н+ + 2е ^ ^ШО + Q 0,502 + Н2О + 2е ^ 20Н- 1/202 + СО2 + 2е- ^ ^СОз-2

Подвижный ион Н+ ОН- О-

Эффективность, % 50-60 60-65 40-70

Преимущества Высокий ресурс, Механически прочная мембрана, устойчивая к перетечкам газов, с возможностью нанесения активных слоёв малой толщины, более лёгкая коррозионная обстановка, Низкая Высокие характеристики КПД, Выгодная электродная кинетика, Возможность расширения линейки катализаторов, Сравнительная дешевизна матрицы, Высокая идентичность Высокий ресурс, Нечувствительность к составу топлива, Возможность использования прямого риформата без доочистки. Удачная схема использования

Характеристика Топливный элемент

ТПТЭ ЩТЭ ТОТЭ

рабочая температура и быстрый запуск. элементов в батарее. Наличие отечественных комплектующих. сжиженного газа в качестве топлива.

Недостатки Стоимость изготовления; деградация от «каталитических ядов», содержащихся в реформате; необходимость точного поддержания водного баланса; отсутствие мембран отечественного производства. Низкий ресурс; недостаточная прочность матрицы; жёсткая коррозионная обстановка; выщелачивание диоксида кремния из матрицы; карбонизация электролита. Высокая температура; коррозия компонентов; длительное время запуска; слабые массогабаритные характеристики; разработка технологии находится на начальном уровне (единичных образцов ТОТЭ).

В настоящее время есть две отечественные организации, обладающие значительным опытом в разработках и создании ЭХГ с ТЭ: филиал ЦНИИ СЭТ ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и ООО «НПО «Центротех». Первая организация специализируется в области создания ЭХГ с ТПТЭ, а вторая со ЩТЭ. В каждом варианте ЭХГ есть как определённых преимущества, так и недостатки. Дальнейший сравнительный анализ по ряду характеристик позволит выявить какой тип наиболее предпочтителен в условиях применения в составе ВКЭУ для МПО БД.

1.2 История развития электрохимических генераторов

В США для космических кораблей «Спейс Шаттл» фирмой Юнайтед Технолоджи Корп. был разработан генератор «РС-17с» с ЩТЭ, где в качестве побудителя расхода водорода использовался компрессор, работающий в постоянном режиме, а удаление воды из ТЭ, пропорциональное нагрузке, регулировалось изменением температуры батареи. «РС-17с» был сконструирован для работы при длительной номинальной нагрузке от 2 до 12 кВт и максимальной (в течении 15 минут) 16 кВт, при этом его напряжение находилось в пределах от 32 до 28 В. Единичный ТЭ вырабатывал плотность тока 470 мА/см2 при 0,86 В. Номинальная удельная мощность батареи топливных элементов (БТЭ) - 3,63

кг/кВт, а самого ЭХГ - 7,8 кг/кВт и 9,6 л/кВт. Габариты - 1143x381x365 мм, вес -127,5 кг. Батарея состояла из трех секций по 32 элемента (общее число элементов -96). Фотография ЭХГ приведена в соответствии с Рисунком 1.1. Рабочее давление кислорода составляло от 427,5 до 448,2 кПа, а водорода на 35,0 кПа ниже. Температура на входе в батарею в промежутке от 80,6°С до 86,1°С, на выходе -около 93,3°С. Температура конденсатора от 64,4°С до 67,2°С.

В 1999 г. НАСА была разработана программа по увеличению ресурса работоспособности «РС-17с» [84]. Квалификационные испытания летного образца ЭХГ по этой программе были начаты в 2001 г., а в 2003 г. было констатировано, что ресурс БТЭ увеличен с 2600 до 5000 часов. Результат был достигнут за счет замены никелевой сетки в кислородном электроде на перфорированную никелевую фольгу и электроизолирующих концевых пластин батареи из материала «Норил» на «Полиэфир-эфир-кетоновые» (в последних не появляются микротрещины). Однако, в следующих проектах НАСА, обнародованных президентом Бушем в январе 2004 г., предполагалось использование ТЭ с ТПТЭ [89].

Причинами такого решения стали следующие преимущества этой технологии: повышенная безопасность, более высокий ресурс, возможности модульного исполнения, повышение уровня мощности, увеличение срока службы, уменьшение веса, повышение надёжности и ремонтной технологичности, увеличение допустимой мощности (пик-номинал), возможность эксплуатации на

Рисунок 1.1 - ЭХГ «РС-17С»

загрязненных пропульсивных реагентах, уменьшение издержек наземного обслуживания, снижение периодических издержек. Пятилетняя программа НАСА проводилась командами специалистов из трех центров: исследовательский центр имени Гленна (головной исполнитель), космический центр имени Джонсона, космический центр имени Кеннеди. Целью программы стала разработка технологий в поддержку общей исследовательской программы НАСА. В результате проведенных работ была разработана ЭУ с ЭХГ фирмы «Теледайн». Заданные характеристики для разработки ЭУ представлены в Таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Характеристики ЭУ с ЭХГ «Теледайн»

Показатель Параметр

Номинальная мощность, кВт 7-10

Регулирование напряжения, В 30±10 процентов

Время установки давления, с < 0,2

Эксплуатационный ресурс, ч 10000

Рабочая температура, °С 60-80

Рабочее давление, кПа < 690

Вес энергоустановки, кг <140

Объем энергоустановки, м3 < 0,2

В соответствии с Рисунком 1.2 приведена технологическая модель на испытательном стенде для ТЭ в научно-исследовательском центре НАСА.

Рисунок 1.2 - ЭУ с ЭХГ «Теледайн»

Таким образом следует, что в космической отрасли США ЭХГ с ТПТЭ впоследствии вытеснили ЭХГ с ЩТЭ.

В СССР на УЭХК в кооперации с Уральским электромеханическим заводом был создан и выпущен в количестве более 120 изделий ЭХГ «Фотон». Предназначался он для отечественной программы «Энергия-Буран». Разработанный в середине восьмидесятых годов ЭХГ «Фотон» содержит две параллельно соединенных батареи ЩТЭ в соответствии с Рисунком 1.3, каждая из которых включает 128 ТЭ, скоммутированных в четыре секции по 32 ТЭ. Секции между собой соединены параллельно. Электроды - биполярные. ЭХГ «Фотон» при максимальной длительной мощности (16 кВт) имеет удельные характеристики 10 кг/кВт и 12,5 л/кВт. Напряжение ТЭ при 500 мА/см2 от 0,90 до 0,91 В. ТЭ ЭХГ «Фотон» способны генерировать до 4 А/см2.

Рисунок 1.3 - Батарея ТЭ ЭХГ «Фотон»

Гарантированный ресурс ЭХГ «Фотон» - 2000 часов. Гарантированное время эксплуатации - 2 года. КПД ЭХГ при номинальной мощности 10 кВт 62% в начале ресурса и 57,5% через 2000 часов работы. Скорость деградации БТЭ, пересчитанная на усредненный единичный элемент, укладывается в пределы от 0,5 до 2,4 мкВ/ч и от 1,7 до 2,8 мкВ/ч при 85°С и 100°С соответственно.

Основной причиной деградации выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) единичных ЩТЭ в соответствии с Рисунком 1.4 является карбонизация [37,49] электролита1, в результате которой ухудшается микрокинетика электродных реакций2, повышаются сопротивление и вязкость электролита, увеличивается упругость паров воды над электролитом. Аналогично влияет на ВАХ растворение асбеста матрицы (силикатизация электролита).

Ток, А

Рисунок 1.4 - ВАХ ЭХГ «Фотон» и ее изменение при длительных испытаниях

Эти причины в сумме ответственны за 70% общей деградации ТЭ. Далее следует отметить недостаточную коррозионную стойкость катодного катализатора ЩТЭ (смеси платины с серебром). В результате коррозии образуются комплексные анионы, которые мигрируют в матрицу и там вновь восстанавливаются до металлической платины и серебра растворённым в электролите водородом. Этот процесс «металлизации матрицы» приводит к изменению ее структурных характеристик и закорачиванию электродов. В основном этот же процесс вызывает

1 Химическая реакция, в результате которой углекислый газ взаимодействует со щелочью с образованием карбоната калия.

2 Скорость протекания электрохимических процессов на поверхности электрода.

укрупнение зерен катализатора и снижение активной поверхности. Перечисленные выше причины практически полностью ответственны за общую деградацию характеристик ЩТЭ.

Факторами, ограничивающими ресурс ЩТЭ, также является потеря матрицей газоразделительных свойств, для этого достаточно появления на рабочем поле матрицы всего лишь нескольких сквозных пор с радиусом близким или большим 2-5 мкм, а также возникновение микронных пор в никелевых стенках рамок-холодильников.

В рамках выполнения работ «Трамвай ЭУТЭ» по договору между СПб ГУП «Горэлектротранс» и ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в 2019 году был разработан ЭХГ ТПТЭ с водородно-воздушной БТЭ-50В [43].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юшков Антон Владимирович, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андреев В.М., Дядик А.Н., Шаманов Н.П. Коэффициент инжекции двухкомпонентного струйного аппарата//Депонирована в ЦНИИ «Румб», БСИ «Судостроение», вып. 1, 1982. № ДР-1479. - 7 с.

2. Андреев В.М., Дядик А.Н., Шаманов Н.П. Зависимость для определения предельного напора двухкомпонентного струйного аппарата//Теплофизические процессы в судовых энергетических установках/Труды ЛКИ, 1981. С. 33 - 37.

3. Апполонов Е. М., Бачурин А. А., Горохов А. И., Пономарев Л. О. О возможности и необходимости создания сверхбольшого необитаемого подводного аппарата/ Перспективные системы и задачи управления // Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции. Ростов-на-Дону, 2018. С. 34-41.

4. Бакуменко Л.Г., Дядик А.Н., Ларионов М.В., Сурин С.Н. Интегрированный подход к энергообеспечению автономных необитаемых подводных аппаратов//Морской вестник, 2020. № 3 (75). С. 91 - 94.

5. Бакуменко Л.Г., Дядик А.Н., Сурин С.Н. Отвод теплоты от батарей с топливными элементами в автономных необитаемых подводных аппаратах// Системы управления и обработки информации: научн.-техн. сб. / АО «Концерн «НПО «Аврора». СПб. 2019. Вып. 2 (45). С. 36 - 45.

6. Балакин А.В., Дядик А.Н., Сурин С.Н, Щегольков М.А. Предварительная математическая модель АНПА БД с ЭХГ.// Системы управления и обработки информации: научн.- техн. сб. / АО «Концерн «НПО «Аврора» СПб. 2024. Вып. 4 (67) С.

7. Бессекерский В.А., Изранский В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М., Наука, 1987.

8. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., "Наука", 1972г.

9. Богданов Д.С., Дядик А.Н., Ларионов М.В., Сурин С.Н. Характеристики работы электрохимического генератора в составе АНПА. Системы управления и обработки информации. 2021. № 3 (54). С. 35-39

10. Богданов Д.С., Дядик А.Н., Ларионов М.В., Сурин С.Н. Расчет энергетического баланса рециркуляционной трассы пароводородной смеси энергоустановки АНПА-ПА. Системы управления и обработки информации. 2022. № 1 (56). С. 5-14

11. Богданов Д.С., Дядик А.Н., Ларионов М.В., Сурин С.Н. Теоретические основы расчета энергетического баланса отсека с БТЭ энергоустановки МПО-ПА//Системы управления и обработки информации: научн.-техн. сб. / АО «Концерн «НПО «Аврора». СПб. 2022. Вып. 1 (56). С. 15 - 21.

12. Бузник В.М. Теплопередача в судовых энергетических установках. Л.: Судостроение, 1967. - 376 с.

13. Бухмиров В. В. Расчет коэффициента теплоотдачи. Справочник. Т.6/ Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения). Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 2007. - 39 с.

14. Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. М.: Мир, 1977, 517 с.

15. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд./ Д. Ю. Гамбург, В. П. Семенов, Н. Ф. Дубовкин, Л. Н. Смирнова. Под ред. Д. Ю. Гамбурга, Н. Ф. Дубовкина. - М.: Химия, 1989. - 672 с.

16. Вольтметр универсальный цифровой В7-27 (В7-27А В7-27А/1), формуляр

17. Галин Н. М., Кириллов Л. П. Тепломассообмен (в ядерной энергетике): Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 376 с.

18. Галлямов М.О., Хохлов А.Р. Топливные элементы с полимерной мем- браной: Материалы к курсу по основам топливных элементов. — М.: Физический факультет МГУ, 2014. — 72 с. ISBN 978-5-600-00346-0.

19. Грибов Е.Н. Транспортные свойства нафионовых мембран, модифицированных ионами тетрапропиламмония, в приложении к топливным элементам прямого 100 окисления метанола / Е.Н. Грибов,

20. ГОСТ 5632-2014 Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные Марки

21. ГОСТ 4784-74 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки.

22. Государственный контракт от 22.12.2020 № 2023020100962000000000000/ 20208.4470019.09.002 на выполнение опытно конструкторской работы «Разработка конструкторско-технологических решений и создание опытного образца автономного необитаемого подводного аппарата повышенной автономности», шифр «АНПА-ПА» (код закупки № 201770559633977030100101540017219000), М. 2020.- 65 с.

23. Груздев А. И. Новые подходы к конструированию и изготовлению твердооксидных топливных элементов // АЭЭ. 2008. №10.

24. Добровольский Ю. А., Сангинов Е. А., Русанов А. Л. ПРОТОНООБМЕННЫЕ МЕМБРАНЫ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ // АЭЭ. 2009. №8.

25. Добровольский Ю. А., Укше А. Б., Левченко А. В., Архангельский И. В., Ионов С. Г., Авдеев В. В., Алдошин С. М. Материалы для биполярных пластин топливных элементов на основе протонпроводящих мембран // Российский химический журнал. 2006. №6.

26. Добровольский Ю. А., Волков Е. В., Писарева А. В., Федотов Ю. А., Лихачев Д. Ю., Русанов А. Л. Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов // Российский химический журнал. 2006. №6.

27. Дядик А.Н., Богданов Д.С., Ларионов М.В. Технический отчет по первому этапу «Разработка технического проекта опытного образца АНПА-ПА» - АО Концерн НПО Аврора СПб. 2021. 76 с.

28. Дядик А.Н. Экспериментальное исследование двухкомпонентного струйного аппарата//Труды ЛКИ: Проблемы повышения эффективности СЭУ, 1985. С.31 - 36.

29. Дядик А.Н., Малых Н.П., Дядик В.А. Воздухонезависимые энергетические установки морских объектов- СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2023

30. Емец В. В., Тарасевич М. Р., Андреев В. Н. Сравнительная характеристика мэб водородо-воздушного топливного элемента с мембранами пайоп, Штарет и мф-4ск // АЭЭ. 2012. №2.

31. Иванов, А. А. Автоматизация технологических процессов и производств / А. А. Иванов. - Инфра-М, 2018. - 224 с. - Текст: непосредственный.

32. Иванов В.А. и др. Математические основы теории автоматического регулирования. М., "Высшая школа", 1971г.

33. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

34. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Под общ. ред. П.Л. Кириллова. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.

35. Киселев В.В, Шилов К.Ю Системы управления техническими средствами, Политех-пресс, 2019.2019, 2(388). - с. 112-122.

36. Козадеров О.А., Введенский А.В. Современные химические источники тока, Лань, 2021

37. Кондратьев Д. Г., Матренин В. И., Овчинников А. Т., Поспелов Б. С., Потанин А. В., Стихин А. С., Шихов Е. Г., Щипанов И. В. Карбонизация и декарбонизация щелочных матричных топливных элементов // Электрохимическая энергетика. 2009. №2.

38. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоуста- новки -М.: Изд-во МЭИ, 2005 (Красноармейск: ООО Типография-Н). - 278 с.]

39. Коровин Н. В., Кулешов Н. В. Твердополимерные электролиты для топливных элементов // Электрохимическая энергетика, 2000, т. 3. - с. 3-6.

40. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980. - 288 с.

41. Кривобоков И.М., Электрохимия. 2009. Том 45, вып. 2 (февраль). Транспортные свойства нафионовых мембран, модифицированных ионами тетрапропиламмония, в приложении к топливным элементам прямого окисления метанола / Грибов Е.Н., Кривобоков И.М., Пархомчук Е.В., Окунев А.Г., Спото Д., Пармон В.Н.. — с. 211-220

42. Лавров Н. В. Физико-химические основы процесса горения топлива. М.: «Наука», 1971.

43. Ландграф И.К., Касаткин М.А. Перспективы водородных энергоустановок на топливных элементах для развития электротранспорта //

Транспорт Российской Федерации, 2019, № 6 (85). - с. 46-49.

44. Ландграф И.К., Аваков В.Б., Ковалевский В.П. Конструкции трубчатых твердооксидных топливных элементов /Труды Крыловского государственного научного центра. 2014. Выпуск 81 (365). С. 25 - 50.

45. Ландграф И.К., Аваков В.Б., Ковалевский В.П. Экспериментальная стендовая доводка конструкции и эксплуатационных режимов твердооксидного электрохимического генератора мощностью около 1000 Вт/ Труды Крыловского государственного научного центра. 2014. Выпуск 81 (365). С. 5 - 24

46. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы. Энергоиздат, М., стр. 296, 1982.

47. Макетный образец водородно-кислородного аккумулятора для малого автономного необитаемого подводного аппарата/Руководство по эксплуатации//ВНЦТ. 563641.003 РЭ. - Новоуральск: ООО «НПО «Центротех», 2020. - 26 с.

48. Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.

49. Матрёнин В. И., Овчинников А. Т., Поспелов Б. С. Влияние примесей в газах на работу щелочного топливного элемента // Электрохимическая энергетика. 2015. №2.

50. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Под ред. Солодовникова В.В. М., Высшая школа, 1991.

51. Микропроцессорное управление технологическим оборудованием микроэлектроники. Под ред.Сазонова А.А. М., Радио и связь, 1988.

52. Миронычев В.Н., Титов П.Л. Метрология, стандартизация и сертификация учебное пособие для вузов для студентов радиотехнических специальностей и направлений Владивосток:Дальневосточный федеральный университет, 2015

53. Михайлов Валерий Васильевич, Тутов Иван Андреевич Метод регулирования давления в газораспределительной сети // Векторы благополучия: экономика и социум. 2012. №4 (5).

54. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. - 320 с.

55. Мясников В.Е. Пароводяные инжекторы. Расчет, проектирование, применение, 100 вариантов конструкции. - СПБ.: Элмор, 1997. - 416 с.

56. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Издательство Энергоатомиздат. Ленингр. отделениение, 1991. — 304 с

57. Осетрова Н. В., Скундин А. М. Термостойкие мембраны для топливных элементов // Электрохимическая энергетика. 2007. №1.

58. Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 года №304 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений»

59. Потенциометр постоянного тока ПП-63, паспорт 2.736.010.ПС

60. Под ред. Б.П. Никольского. Справочник химика. "Химия", М., Л., т. 3, стр. 741825, 1964.

61. Под ред. С.С. Пиннера. Состояние и потребности исследований в области усовершенствованных ТЭ. Доклад DOE USA, p. 200, 1985.

62. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. M., «Наука», 1989г.

63. Прасолов Б.М. Дискретные системы автоматического управления. Омск, изд. ОмГТУ, 1998.

64. Распоряжение Правительства РФ от 12 октября 2020 г. №2634-р. «План мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года»

65. Распоряжение Правительства РФ от 5 августа 2021 г. № 2162-р «Об утверждении Концепции развития водородной энергетики в РФ»

66. Распоряжение Правительства РФ от 28 октября 2019 г. № 2553-р «Об утверждении Стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2035 года»

67. Сайданов В.О., Ландграф И.К., Савченко О.В. Опыт разработок отечественных электрохимических энергетических установок и перспективы их применения на объектах Вооруженных сил Российской Федерации - СПб.: Изд-во, 2022. - 379 с

68. Самоходные необитаемые подводные аппараты / Ю. А. Боженов, А. П. Борков, В. М. Гаврилов и др. Под общей ред. И. Б. Иконникова. - Л.: Судостроение, 1986. -264 с.

69. Уриссон Н.А., Штейнберг Г.В., Багоцкий В.С. Зависимость кинетики ионизации водорода на высокодисперсной платине, нанесённой на уголь, от PH раствора. Электрохимия, вып. 8, стр. 1928 -1301, 1975.

70. Уриссон Н.А., Штейнберг Г.В., Багоцкий В.С. Электрохимия, вып. 12, стр, 1635

- 1638, 1976.

71. Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.: Под. ред. И.С Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

72. Холоднов В.А. Системный анализ и принятия решений. Технология вычислений в системе компьютерной математики Mathcad: учебное пособие / В.А. Холоднов, В.П. Дьяконов, В.В. Фонарь, Р.Ю. Кулишенко, И.В. Ананченко. - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2013. - 154.

73. Чизмаджов Ю.А. и др. Макрокинетика процессов в пористых средах, Наука, М. гл. 8 и 9, 1971.

74. Шаманов Н.П., Дядик А.Н., Лабинский А.Ю. Двухфазные струйные аппараты.

- Л.: Судостроение, 1989. - 240 с.

75. Шафигулин, Р. В. Физическая химия. Химическая кинетика : учебное пособие / Р. В. Шафигулин, К. А. Копытин, А. В. Буланова. — Самара : Самарский университет, 2023. — 105 с.

76. Щурин К.В., Копылов О.А., Панин И.Г. Планирование и обработка результатов эксперимента: учебно-практическое пособие. - Королев МО: МГОТУ, 2018.-243 с.

77. Юшков А.В., Дядик А.Н. Расчетное определение параметров топливной ячейки ЭХГ / А.Н. Дядик, //Морской вестник. - 2023. - № 4 (88). - С. 64-66.

78. Юшков А.В., Дядик А.Н. Цифровой двойник электрохимического генератора // Морской вестник. - 2023.- № 1(85). - С. 72 - 74.

79. Юшков А.В., Дядик А.Н. Блок-модуль электрохимического генератора с твердополимерным электролитом. Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2023;1(72/73): 108-114.

80. Юшков А.В., Дядик А.Н. Результаты проектирования комплексной автоматизированной системы управления воздухонезависимой энергетической установки с электрохимическим генератором //Труды СПбГМТУ - 2024. - № 1 (9). - С. 33-43.

81. Юшков А.В., Дядик А.Н. Система преобразования и коммутации электроэнергии в воздухонезависимой энергетической установке с электрохимическим генератором // Морской вестник. - 2023.- № 2(86). - С. 60 -62.

82. Юшков А.В., Дядик А.Н. Перспективы развития воздухонезависимых энергетических установок // Труды Крыловского государственного научного центра. 2021. №51- С. 347-348.

83. Юшков А.В., Дядик А.Н., Балакин А.В. Разработка системы управления воздухонезависимой энергетической установки с электрохимическим генератором // Морской вестник. - 2024.- № 2(90). - С. 75 - 78.

Иностранные источники

84. Alhussein Albarbar, Mohmad Alrweq. Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Design, Modeling and Performance Assessment Techniques. Springer International Publishing AG 2018.

85. Buswell , et al. United States Patent №5,360,679, November 1, 1994 A. Docter, A. Lamm, G. Konrad «Reformer for Gasoline and Gasoline Like Fuels» , DaimlerChrysler AG, Ulm, Germany, 2000 Fuel cell seminar Abstracts, October 30-November 2, 2000, p. 538-541

86. D. Wilkinson, A. Steck. General Progress in Research of Solid Polymer Fuel Cell Technol-ogy at Ballard, Proc. 2 Int. Symp. of New Materials for Fuell Cell. Montreal, Canada, 6-10.07, 1997

87. D. Wilkinson, D. Thompsett. "Materials and Approches for CO and CO2 Tolerance for PEM Fuel Cells. "Proceedings of the Second Int. Symp on New Materials to Fuel Cells" p. 266 - 285, 1997.

88. Erich Gulzow et al. "Degradation of PEFC Components" . Proceeding Conf. Fuel Cells - Powerings the 21 st Century, p.156 - 159, 2000.

89. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition). By EG&G Technical Services, Inc. U. S. Depart-ment of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, P.O. Box 880, Morgantown, West Virginia 26507-0880.

90. Hagh B. F. Optimization of Autothermal Reactor for Maximum Hydrogen Production. //Hydrogen Energy, 2003, Vol. 28. 0. 1369-1377.

91. J.Applby. The Electrochemical Engine for Vehicles. Scientific American, p. 74 - 79, July, 1995.

92. Journal of Power Source 113 (2003) 115-123, Zhigang Qi, Arthur Kaufman «CO-tolerance of lowloaded Pt/Ru anodes for PEM fuel cells»

93. Karl Kordesch et al. "Intermittent use of a lowcost alkaline fuel cell - hybrid system for electric vehicles. J. of Power Sources, 80, p.190-197, 1999.

94. Kevin Huang and John B. Goodenough «Solid oxide fuelcell technology Principles, performance and operations».

95. Kirk Weisboard et. al. "Corrosion test cell for bipolar Plate Materials", Proceedings Conf. "Fuel Cells - Powering the 21st Centry", , p.94-97, 2000.

96. L. Swette and N. Kackley. "Oxygen electrodesf or rechargeable alkaline fuel cell", J. of Power Sources, 29, p.423-436, 1990.

97. Mahlon S.Wilson et al. « Surface Area Loss of Supported Platinum in PEFC», J.Electrochemical Soc., Vol. 140, №10, 1993.

98. Nicholas Abson Hydrogen - Electrochem. and Erergetics, Trondheiv, Norway, Pocttdings Int. Con f. p. 81-90, 1999

99. Nickolas Abson. "Alkaline fuel cells as on board Battery Charger", Proceedings Symp. "Hydrogen, Electrochem and Energetics", p.81-90, 1999.

100. Prof. San Ping Jiang «Materials for high temperatures Fuel Cell».

101. S. Sakamoto et al. "Study of the Factors Affecting PEFC Lief Characteristic. Proceedings Conf. Fuell Cells - Powering the 21st Century, p. 141 -144, 2002.

102. Schwiedernoch R., Tischer S., Correa C., Deutschmann O. Experimental and Numerical Study on the Transient Behavior of Partial Oxidation of Methane in a Catalytic Monolith. // Chem Eng. Sci., 2003, Vol. 58. B. 633-642.

103. Semelsberger T. A., Brown L. F., Borup R. L., Inbody M. A. Equilibrium Products from Autothermal Processes for Generating Hydrogen-Rich Fuel-Cell Feeds. // Hydrogen Energy, 2004,Vol. 29. B. 1047-1064.

104. Shimshon Gottes feld. Electronic and Electrochemical Materials: Devices Group, http: // education. Lanl. Gov/resourchs/hs/gottes field/education/html, 1999.

105. Steven Chack et al. "Fuel Cell for Transportation Program", Contractors Annual Progress Report, Vol 1, p.35, November, 1998.

106. Steven Chalk. Progress Report for Fuel Cells for Transportation, Oct., p. 89-93, 1999.

107. Viktor Hacker et al. Advantages of alkaline fuell cell systems for mobile applications. Fuell cell. Abstract. Fuell cell-powering the 21st centryre. Sponsored by the Fuell Cell Seminar Organizing Committee, p. 655 - 658. Portland. Oregon. October 30 -November 2, 2000.

Интернет-источники

108. https://pdf4pro.com/view/sinavy-pem-fuel-cells-siemens-5f9ea8.html

109. https://www.seaforces.org/marint/German-Navy/Submarine/Type-212A-class.htm

110. https: //www. nafion.com/en/support

111. https: //patents .google. com/patent/WO2009014467A2.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Таблицы расчета теплообменных процессов ЭМ с ЭХГ

Таблица А.1 - Математическая модель и результаты расчетов определения расходов и теплоты, выходящей в отсек

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Проектная мощность блока БТЭ, Вт N Задано 350 250 150

Количество БТЭ m Задано 1 1 1

Используемая мощность БТЭ, Вт N1 N/m 350 250 150

Напряжение БТЭ, В U1 Задано 24 24 24

Ток через БТЭ, А I1 N1/U1 14,58 10,42 6,25

Количество ТЭ в БТЭ n Задано 29 29 29

Электрохимический эквивалент водорода, г/(Ач) а Справочные данные [15] 0,0376 0,0376 0,0376

КПД по току Пт Справочные данные 0,985 0,985 0,985

Расход водорода, г/с Gh2 т-п-а-11/(3600-пт) 0,0045 0,0032 0,0019

Молекулярная масса водорода, г/моль Мн2 Справочные данные 2,016 2,016 2,016

Молекулярная масса кислорода, г/моль М02 Справочные данные 31,999 31,999 31,999

Расход кислорода, г/с Go2 GH2 Мо2/(2-М H2) 0,0357 0,0254 0,015

Расход реакционной воды, г/с GH2O Gh2 + GO2 [27] 0,0402 0,0286 0,0169

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Удельный расход водорода, кг/(кВтч) Я1 Gн2•3600/N 0,046 0,046 0,0456

Удельный расход кислорода, кг/(кВтч) Go2•3600/N 0,367 0,366 0,36

Тепловой эффект реакции, кДж/моль Н2О я Справочные данные [14,15] 286 286 286

Молекулярная масса воды, г/моль Мн20 Справочные данные 18,015 18,015 18,015

Суммарный тепловой эффект, Вт Q я- Gн2O•103 /Мн20 638,2 454 268,3

Количество теплоты, отводимой от БТЭ, Вт Qотв Q - N 288,2 204 118,3

Скорость хода МПО, м/с Wмпо Задано 2,5 1,0 0

Наружный диаметр корпуса МПО, м Dк нар Задано 0,278 0,278 0,278

Внутренний диаметр корпуса МПО, м Dк вн Задано 0,25 0,25 0,25

Наружный диаметр теплообменника-конденсатора, м Dтк нар Dтк нар _ Dк вн 0,25 0,25 0,25

Внутренний диаметр теплообменника-конденсатора, м Dтк вн Задано 0,21 0,21 0,21

Длина корпуса энергетического отсека, м Ьк задано 0,372 0,372 0,372

Длина корпуса теплообменника, м Lтк задано 0,122 0,122 0,122

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

КПД (по верхней теплотворной способности водорода) ПБТЭ Задано 0,7 0,709 0,718

Количество теплоты, выходящее в отсек БТЭ, Вт Qот Qот = № (—— 1) ^Лбтэ ' 150 102,6 58,9

24. Суммарная поверхность БТЭ, м2 FБТЭ Задано 0,173 0,173 0,173

Разность температур поверхности БТЭ и воздуха энергоотсека, К ДТ Задано 10 10 10

Таблица А.2 - Математическая модель и результаты расчетов коэффициента теплоотдачи от корпуса отсека с БТЭ к забортной воде при движении МПО в форсажном и номинальном режиме

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Величина коэффициента теплоотдачи от воздуха отсека БТЭ к корпусу МПО, Вт/(м2-К) а1 Из литературных источников [13] известно, что для свободной конвекции воздуха 5 < а1 < 25 Вт/(м2-К). Примем а1 = 20 Вт/(м2-К) 20 20 20

Температура забортной воды - 2°С

Критерий Рейнольдса Re „ wмпоLк Re =- ^з.в 5,17х105 2,1х105 -

В форсажном режиме критерий Рейнольдса Re > 5*105 и режим течения турбулентный, а в номинальном режиме Re < 5*105 и режим течения ламинарный

Критерий Нуссельта для ламинарного режима течения забортной воды со скоростью 1 м/с Nu 1 /Рг \0,25 Nu = 0,664Re0'5Pгз (—ж ) \Ргст/ - 733 -

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Критерий Нуссельта для турбулентного режима течения забортной воды со скоростью 2,5 м/с Nu /РГ \0'25 Nu = 0,037Re0•8Pr0•43 (р ж) 4284 — —

Коэффициент теплоотдачи к забортной воде, Вт/(м2-К) «2 Nu • Лз.в. а2= Ь Lк 6103 1044 —

Температура забортной воды + 40°С

Критерий Рейнольдса Re „ wмпоLк Re =- ^з.в 1,4х106 5,6х105 —

В форсажном и номинальном режиме критерий Рейнольдса Re > 5х105 и режим течения турбулентный

Критерий Нуссельта Nu /Рг ч°25 Nu = 0,037Re0'8Рг043 (р ж) 5727 2752 —

Коэффициент теплоотдачи к забортной воде, Вт/(м2-К) «2 Nu • Лз.в. "2= Ь 9699 4661 —

Таблица А.3 - Математическая модель и результаты расчетов коэффициентов теплопередачи от воздуха отсека с БТЭ к забортной воде и площади поверхности корпуса для двух значений температур забортной воды - 2°С и + 40°С при движении МПО в форсажном и номинальном режиме

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Коэффициент теплопередачи через алюминиевый корпус при температуре забортной воды - 2°С, Вт/(м2-К) к-2 1 к1 = 1 , 1 , гн , 1 а1 Лк Гвн а2 19,7 19,38 —

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Коэффициент теплопередачи через алюминиевый корпус при температуре забортной воды + 40°С, Вт/(м2-К) к+40 1 1,+40 _ ^ к1 = 1 , 1 , гн , 1 а1 Лк гвн а2 19,7 19,6 —

Поверхность теплообмена корпуса отсека БТЭ при температуре забортной воды - 2°С, м2 Fк-2 р-2 _ Фот Гк к-2ДТ 0,152 0,106 —

Длина отсека с БТЭ, м Lк L - Г-2 к 3,14Dн Если Lк < 0,372 м, то идти к п. 43, иначе а1 — а1 + 1,0 и идти к п. 39 (только в форсажном режиме) 0,174 0,121 —

Поверхность теплообмена корпуса отсека БТЭ при температуре забортной воды + 40°С, м2 17+40 Гк Г+40 — Гк к+40ДТ 0,38 0,26 —

Длина отсека с БТЭ, м Lк Г+40 L — к к 3,14Dн где: Если Lк < 0,372 м, то идти далее, иначе а1 — а1 + 1,0, но не более 25 и идти к Таблица А.2 0,435 0,297 —

Примечание: при расчете длины отсека производится оператор сравнения полученной расчетной длины корпуса отсека с заданной. В случае превышения значения расчетной поверхности необходимо увеличить значения коэффициента а! на единицу, но не более 25.

Таблица А.4 - Математическая модель и результаты расчетов площади поверхности корпуса отсека с БТЭ в режиме

«зависания» при естественной конвекции забортной воды

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Температура забортной воды + 40°С

Критерий Рэлея Ra ра _ gPDкнарДТ va ' — — 1,63х1011

Сравнение — Поскольку Ra > 2 *107, то режим течения турбулентный со степенью 1/3. [34] — — —

Критерий Нуссельта Ййж Ш!ж = CRa1/3 , где С = 0,135; [34] — — 738

Коэффициент теплоотдачи к забортной воде, Вт/(м2К) «2 Щз.вАз.в. а2= D ^к нар — — 1686

Коэффициент теплопередачи через алюминиевый корпус при температуре забортной воды + 40°С, Вт/(м2-К) к+40 1 1,+40 _ ^ к1 = 1,1,^,1 а1 Лк гвн а2 — — 19,5

Температура воздуха в отсеке БТЭ. Тот гр ^^Т | гр 1от = 0,325к40 + lз.в, — — 50

Поверхность теплообмена корпуса отсека БТЭ при температуре забортной воды + 40°С, м2 17+40 ^к р+40 _ Гк к+40ДТ — — 0,151

Длина отсека с БТЭ, м Lк р+40 L = к к 3,14Dн Если Lк < 0,372 м,то идти к п. 59, иначе а1 = а1 + 1,0 и идти к п. 56 — — 0,172

Таблица А.5 - Математическая модель и результаты расчетов определения параметров рециркуляционной пароводородной смеси

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Давление насыщенного пара по температуре, МПа Р* Справочные данные 0,047 0,047 0,047

Давление рециркулирующей пароводородной смеси, МПа Рсм Задано 0,4 0,4 0,4

Объемная доля водяного пара в рециркулирующей смеси Рб Рсм 0,117 0,117 0,117

Объемная доля водорода в рециркулирующей смеси 1 - ^О 0,8825 0,8825 0,8825

Молекулярная масса водяного пара, г/моль МН20 — 18,015 18,015 18,015

Молекулярная масса рециркулирующей смеси, г/моль Мсм Мн2оун2о + Mн2vн2 3,89 3,89 3,89

Массовая доля пара в рециркулирующей смеси ГН2 0 МН20 г^о — ^о м Мсм 0,54 0,54 0,54

Массовая доля водорода в рециркулирующей смеси ГН2 ГН2 — 1 - ГН20 0,46 0,46 0,46

Массовый расход водорода в рециркулирующей смеси из БТЭ, г/с ^2 ГН2 0 0,0342 0,0244 0,0144

Таблица А.6 - Математическая модель и результаты расчетов определения параметров теплообменника-конденсатора со стороны пароводородной смеси

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Количество теплоты, отводимое в теплообменнике-конденсаторе, Вт Огк Огк Qотв Qот 138,2 101,4 59,4

Количество теплоты, передаваемое за борт при охлаждении пароводородной смеси, Вт Ql Ql = ^с™ДТ 33,3 23,7 14

Количество теплоты, передаваемое на участке конденсации водяного пара, Вт Q2 ^ = GH2Or 95,7 68,1 40,3

Количество теплоты, передаваемое на участке охлаждения водорода, Вт Qз Qз = Gрне2ЦcpH2ДT 9,2 9,57 5,1

Формула для определения теплопередающей поверхности теплообменника-конденсатора, м2 F 1 тк у, Qтк *тк = кдт — — —

Среднелогарифмический температурный напор в ТА, К дт лТ ДТб-ДТм д 1 м - при Тз.в = 271К - при Тз.в = 313К 50 20 50 20 50 20

Скорость движения пароводородной смеси в теплообменнике с учетом ^см задано 5,6 3,99 2,36

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

затесненности отбойниками, м/с

Критерий Рейнольдса для пароводородной смеси Reсм п Wсмdэ Reсм = ^см 20519 14620 8647

Критерий Нуссельта Nu /Рг х°,25 Nu = 0,664Re0'5 х Рг1/3 ^^ 95 80 62

Коэффициент теплоотдачи от пароводорода к стенке ТА, Вт/(м2-К) асм Nu • Асм асм = D тк нар 475 400 310

Коэффициент теплоотдачи от водяного пара при конденсации, Вт/(м2-К) а 4 его2 А3 а = 0,943 х [ 6 1ДП 8800 8800 8800

Коэффициент теплоотдачи от водяного пара при конденсации с учетом водорода, Вт/(м2-К) ак ак = 0,2 а 1760 1760 1760

Скорость движения водорода в теплообменнике с учетом затесненности отбойниками, м/с wн2 задано 2,7 1,9 1,14

Критерий Рейнольдса для водорода Re Re = Wн2dэ 9816 6908 4145

Критерий Нуссельта Nu /Рг .0,25 Nu = 0,664Re0'5 х Рг1/3 ^^ 57,8 48,5 37,6

Коэффициент теплоотдачи от водорода к стенке ТА, Вт/(м2-К) аН2 Nu • Ан2 аН2= D тк нар 524 440 341

Таблица А.7 - Математическая модель и результаты расчетов коэффициента теплоотдачи от корпуса теплообменника-конденсатора к забортной воде

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Температура забортной воды - 2°С

Критерий Рейнольдса Re wLтк Re =- ^з.в 1,69х105 6,8х104 —

В обоих случаях при скоростях МПО 2,5 и 1,0 м/с соответствует соотношению Re < 5*105, поэтому средний по поверхности корпуса теплообменника-конденсатора МПО критерий Нуссельта вычисляется по одной формуле

Критерий Нуссельта Nu 1 /Рг \0'25 Nu = 0,664Re0'5Pгз (—ж ) \Ргст/ 658 417 —

Коэффициент теплоотдачи к забортной воде, Вт/(м2-К) «2 Nu • Аж а2= L тк 2858 1811 —

Температура забортной воды + 40°С

Критерий Рейнольдса Re wLтк Re =- ^з.в 4,6х105 1,8х105 —

В обоих случаях при скоростях МГ О 2,5 и 1,0 м/с Re < 5*105, поэтому средний по поверхности корпуса МПО критерий Нуссельта вычисляется по одной формуле

Критерий Нуссельта Nu пч ^Рг^0'25 Nu = 0,664Re0'5Pгз 734 459 —

Коэффициент теплоотдачи к забортной воде, Вт/(м2-К) «2 Nu • Аж а2= L 3790 2370 —

Таблица А.8 - Математическая модель и результаты расчетов коэффициентов теплопередачи от пароводородной смеси к забортной воде и площади поверхности теплообменника конденсатора для двух значений температур забортной воды - 2°С и + 40°С

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Коэффициент теплопередачи для двухслойной цилиндрической трубы при температуре забортной воды - 2°С, Вт/(м2-К) к-2 к-2 1 1 1^+1^ + 1. асм Л1 Г1 Л2 Г2 а2 169 136 —

Коэффициент теплопередачи для двухслойной цилиндрической трубы при температуре забортной воды + 40°С, Вт/(м2-К) к+40 1 к+40 _ 1 ^ + 11П£2 + + ± асм Л1 Г1 Л2 г2 а2 171 139 —

Поверхность теплообмена теплообменника при температуре забортной воды - 2°С, м2 FГ2 F-2_ ^ П _ к-2ДТ 0,0039 0,0035 —

Поверхность теплообмена теплообменника при температуре забортной воды + 40°С, м2 р+40 р+40 _ ^ 1 к+40ДТ 0,0097 0,0085 —

Коэффициент теплопередачи для двухслойной цилиндрической трубы при температуре забортной воды - 2°С, Вт/(м2^К) к-2 к-2 1 2 .1+ 11п!2 + Д1пГ3 + ± ак Л1 Г1 Л2 Г 2 а2 394 365 —

Коэффициент теплопередачи для двухслойной цилиндрической трубы при температуре забортной воды + 40°С, Вт/(м2-К) к+40 1 к+40 _ 1 2 ±+1^+1^ + 1. ак Л1 Г1 Л2 Г2 а2 408 383 —

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Поверхность теплообмена-конденсатора пара при температуре забортной воды - 2°С, м2 F2-2 2 к-2ДТ 0,005 0,0037 —

Поверхность теплообмена конденсатора пара при температуре забортной воды + 40°С, м2 17+40 р+40 _ °2 2 к+40ДТ 0,012 0,009 —

Коэффициент теплопередачи для двухслойной цилиндрической трубы на участке охлаждения водорода при температуре забортной воды - 2°С, Вт/(м2-К) к-2 к-2 1 3 1 + 1 1п Г2 + 1 1п Г3 + 1 аН2 Л1 Г1 Л2 Г2 а2 202 162 —

Коэффициент теплопередачи для двухслойной цилиндрической трубы на участке охлаждения водорода при температуре забортной воды + 40°С, Вт/(м2-К) к3+40 1 к+40 _ 1 3 1 + 1 1п Г2 + 1 1п Г3 + 1 аН2 Л1 Г1 Л2 Г2 а2 269 233 —

Поверхность теплообмена-охладителя водорода при температуре забортной воды - 2°С, м2 F-2 3 к-2ДТ 0,0009 0,0008 —

Поверхность теплообмена охладителя водорода при температуре забортной воды + 40°С, м2 17+40 р+40 _ 0з Гз к+40ДТ 0,0017 0,0014 —

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Суммарная поверхность теплообменника-конденсатора при температуре забортной воды - 2°С, м2 1 тк г-2 = г-2 + г-2 + г-2 0,0098 0,008 —

Суммарная поверхность теплообменника-конденсатора при температуре забортной воды + 40°С, м2 р+40 гтк Г+40 = г+40 + г+40 + г+40 тк 12 3 0,023 0,0189 —

Таблица А.9 - Математическая модель и результаты расчетов площади поверхности теплообменника-конденсатора при естественной конвекции забортной воды

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Тепловой поток от теплообменника к забортной воде в первом приближении при температуре забортной воды + 40°С, Вт/м2 . я1 1 ^ Т7 — — 4000

Критерий Рэлея Ra Ra = gPd3ЛT уа — — 8,1х108

Сравнение Поскольку Ra > 2 х107, то режим течения турбулентный со степенью 1/3. — — —

Критерий Нуссельта Ййж ]иж = CRa1/3 = 0,135Ra1/3 — — 126

Коэффициент теплоотдачи к забортной воде, Вт/(м2К) «2 ]МижАж а2 = т:- 2 D ^тк нар — — 287

Наименование Обозначение Формула Результаты расчета для режимов

Форсаж Номинал Зависание

Коэффициент теплопередачи на участке охлаждения пароводяной смеси, Вт/(м2К) к1 1 к1 = г2 ^ 1 , 1 --Ьл— 1п — + 1п — +-- асм Л1 Г1 Л2 г2 а2 — — 120

Площадь поверхности теплообменника на участке охлаждения пароводорода, м2 Fl Fl = ^ 1 к1ДТ — — 0,0058

Температура наружной стенки корпуса МПО в районе ТК, °С ■уМПО Тст -рМПО _ -р , Тст Тз.в + а2 — — 56

Коэффициент теплопередачи на участке конденсации водяного пара, Вт/(м2К) к2 1 к? = 2 .1+11п£а+11п£а + 1. ак Л1 Г1 Л2 г2 а2 — — 176

Площадь поверхности конденсатора водяного пара, м2 F2 и Q2 Г2 = -= 2 к2ДТ — — 0,0114

Коэффициент теплопередачи на участке охлаждения водорода, Вт/(м2К) кз 1 к, = 3 1 +,11ПГ2+ !1ПГ3+ 1 аН2 Л1 Г1 Л2 г2 а2 — — 124

Площадь поверхности охладителя водорода, м2 Fз и Qз г3 =-= 3 кзДТ — — 0,002

Суммарная площадь поверхности теплообменника-конденсатора в режиме «зависания», м2 р+40 гт-к р+40 _ р+40 , р+40 , р+40 т-к 1 2 3 — — 0,02

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное)

Акт об использовании результатов диссертационной работы в учебный

процесс СПбГМТУ

130

ПРИЛОЖЕНИЕ В

(обязательное)

Акт о внедрении результатов диссертационной работы АО «Инжениус»

О внедрении результатов диссертационной работы Юшкова Антона

Владимировича «Функционирование автоматизированного энергетического модуля на основе топливных элементов для морских подводных объектов большой дальности»

Настоящий акт о внедрении составлен о том, что результаты диссертационной работы Юшкова Антона Владимировича внедрены в деятельность АО «Инжениус».

Математическая модель функционирования энергетического отсека объекта морской техники, а также методика расчета количества теплоты, отводимого от энергетического оборудования при разных значениях температуры забортной воды, выполненные Юшковым A.B. посредством компьютерной программы Mathcad-15, применяются в расчётных исследованиях и при выполнении инженерных проработок АО «Инжениус».

УТВЕРЖДАЮ

P.C. Мазепов

Акт

Руководитель проектов, к.т.н.