Оценка влияния условий циклирования процессов запуска и останова батареи топливных элементов с протонообменной мембраной на эксплуатационный ресурс

ЦЕЛЬЮ работы является описание алгоритмов циклирования батареи топливных элементов с протонообменной мембраной, которые целесообразно применять при регулярной эксплуатации в составе транспортного средства и при проведении ресурсных испытаний в лабораторных условиях. Провести комплексную оценку рассмотренных алгоритмов циклирования и количественно оценить влияние внутренних процессов на продолжительность эксплуатации.
МЕТОДЫ. Для оценки предлагаемых алгоритмов циклирования использовалось специализированное программное обеспечение AVL Cruise M, в котором была создана цифровая 1D-модель батареи топливных элементов, которая описывает ключевые процессы, протекающие в топливных элементах.
РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье приведен механизм деградационных процессов которые происходят в топливных элементах при их циклической работе. Проведено количественное сравнение результатов применения двух алгоритмов циклирования по концентрациям платины в мембране, перекиси водорода, удельной электрохимической поверхности каталитического слоя, снижения напряжения с каждым циклом и другим ключевым показателям. Практическая значимость работы заключается в подробно описанных рекомендованных двух алгоритмах циклирования батареи топливных элементов: первый алгоритм применим для эксплуатации батарей топливных элементов в составе транспортного средства, второй подходит для определения долговечности батареи. Последний алгоритм позволит сократить время, затрачиваемое на ресурсные испытания, с 25 000 до 123 часов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Результаты исследования показали, что основными причинами повышенной деградации при циклической работе являются сильное изменение потенциалов на каталитических слоях топливных элементов, входящих в состав батареи, а также диффузия реагентов, которая может приводить к возникновению обратного тока на определенных участках топливных элементов. При рассмотрении стационарной работы как базового процесса, было выявлено, что в первые 50 часов эксплуатации наблюдается резкое уменьшение напряжения, которое стабилизируется только к 300 часам.

1. Bravo D., Boillot L. Historical Analysis of Clean Hydrogen JU Fuel Cell Electric Vehicles, Buses and Refuelling Infrastructure Projects // JRC Publications Repository. 2024. doi:10.2760/892745.

2. Корнилов С.В., Зверева Э.Р., Федорова А.А., и др. Перспективы развития водородной энергетики и рынка транспортных средств на водородном топливе // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №4 (56). С. 3-18.

3. Корнилов С.В., Симонов И.В., Зверева Э.Р. Исследование энергетических систем на водородных топливных элементах для транспортных средств // Материалы VI Всероссийской научнопрактической конференции обучающихся и преподавателей “Энергетика и автоматизация в современном обществе”; Санкт-Петербург. 2023. С 189 – 198.

4. Killingland M, Taylor C, Eriksen R. Hydrogen forecast to 2050 // DNV. 2022. 114 с.

5. Pei P., Meng Y., Chen D., et al. Lifetime prediction method of proton exchange membrane fuel cells based on current degradation law // Energy. 2023. V. 265, 126341. doi: 10.1016/j.energy.2022.126341.

6. Zhang T., Wang P., Chen H., et al. A review of automotive proton exchange membrane fuel cell degradation under start-stop operating condition // Appl Energy. 2018. Vol. 4, pp. 249 - 262. doi: 10.1016/j.apenergy.2018.04.049.

7. Oyarce A., Zakrisson E., Ivity M., at al. Comparing shut-down strategies for proton exchange membrane fuel cells // Journal of Power Sources. 2014. Vol. 254, pp. 232–240. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.12.058.

8. Drugeot T., Micoud F., Pinton E., at al. Experimental assessment of proton exchange membrane fuel cell performance degradations during emulated start-up/shut-down phases // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48, pp. 5630 - 5642. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.11.020.

9. Arrigoni A., Arosio V., Basso A., at al. Greenhouse Gas Implications of Extending the Service Life of PEM Fuel Cells for Automotive Applications: A Life Cycle Assessment // Clean Technologies. 2022. Vol. 4, pp. 132–148. doi: 10.3390/cleantechnol4010009.

10. Dirkes S., Leidig J., Fisch P., at al. Prescriptive Lifetime Management for PEM fuel cell systems in transportation applications, Part II: On-board operando feature extraction, condition assessment and lifetime prediction // Energy Conversion and Management. 2023. Vol. 283, 116943. doi: 10.1016/j.enconman.2023.116943.

11. Zhou Z., Ye L., Qiu D., at al. Experimental investigation and decoupling of voltage losses distribution in proton exchange membrane fuel cells with a large active area // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 452, 139497. doi: 10.1016/j.cej.2022.139497.

12. Bisello A., Colombo E., Baricci A., at al. Mitigated Start-Up of PEMFC in Real Automotive Conditions: Local Experimental Investigation and Development of a New Accelerated Stress Test Protocol // Journal of The Electrochemical Society. 2021. Vol. 168, 054501. doi: 10.1149/1945-7111/abf77b.

13. Reiser C., Bregoli L., Patterson T., at al. A Reverse-Current Decay Mechanism for Fuel Cells // Electrochemical and Solid-State Letters. 2005. Vol. 8, pp 273 - 276. doi: 10.1149/1.1896466.

14. Clemens F., Edjokola J., Telenta M., at al. Modeling of Catalyst Degradation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells Applied to Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Simulation // Fuel Cells From Fundamentals to Systems. 2024. Vol. 24. doi: 10.1002/fuce.202300237.

15. Soleymani A., Bonville L., Wang C., at al. Quantifying key parameters to provide better understating of microstructural changes in polymer electrolyte membrane fuel cells during degradation: A startup/shutdown case study // Journal of Power Sources. 2023. Vol. 563. 232807. doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.232807.

16. He L., Zhan Z., Hong C., at al. A quick evaluation method for the lifetime of the fuel cell MEA with the particle filter algorithm // International Journal of Green Energy. 2021. Vol. 18, pp 1536 – 1549. doi: 10.1080/15435075.2021.1911809.

17. Fan J., Yang Y., Ma T., at al. Investigation on a Shutdown Control Strategy with Residual Oxygen Rapid Elimination for Proton Exchange Membrane Fuel Cell System // Energies. 2023. Vol. 16. 1285. doi: 10.3390/en16031285.

18. Liu J., Chen H., Zhang T. Analysis of cold start characteristics in a PEMFC stack with different current loading modes // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 51, pp. 1456 – 1476. doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.06.303.

19. Burlatsky S., Gummalla M., Atrazhev V., at al. The Dynamics of Platinum Precipitation in an Ion Exchange Membrane // Journal of The Electrochemical Society. 2011. Vol. 158, pp. 322- 330. doi: 10.1149/1.3532956.

20. Wong K., Kjeang E. Macroscopic In-Situ Modeling of Chemical Membrane Degradation in Polymer Electrolyte Fuel Cells // Journal of The Electrochem Society. 2014. Vol. 161, pp. 823–832. doi: 10.1149/2.0031409jes.