Suprasti kuro elemento efektyvumą ir pagrindinius našumo rodiklius

Pagrindiniai kuro elemento efektyvumo rodikliai (40–60 %) ir jų praktinės pasekmės

Dauguma komercinių kuro elementų veikia apie 40–60 procentų efektyvumu, elektrocheminėmis reakcijomis vandenilio sukauptą cheminę energiją pavertždami elektros energija. Tradiciniai degimo varikliai susiduria su Karno ciklo apribojimais, kurie riboja jų maksimalų efektyvumą, o kuro elementai išvengia šios problemos, nes veikimo metu nešvaisto šiluminės energijos. Paimkime, pavyzdžiui, kietojo oksido kuro elementus (SOFC) – šie pažangūs vienetai pasiekia iki 85 % efektyvumą, kai naudojami kartu generuojant šilumą ir elektrą, kaip nurodyta praėjusiais metais žurnale „Energy Conversion Research“ paskelbtame naujausiame tyrime. Šių skaičių realus poveikis yra labai svarbus operatoriams, siekiantiems sumažinti išlaidas. Tik 10 procentų efektyvumo padidėjimas sunkiasvorėse aplikacijose reiškia apie 1,2 kg vandenilio sutaupymą kiekvienam kilovatvalandžiui, kas ilgainiui reiškia mažesnes kuro sąnaudas ir sumažintą aplinkos poveikį.

Kuro elemento poliarizacijos kreivių aiškinimas esant skirtingoms eksploatacinėms sąlygoms

Poliarizacijos kreivės esmę sudaro tai, kas vyksta, kai įtampa krinta didėjant srovės tankiui dėl trijų pagrindinių veiksnių: aktyvacijos nuostolių, ominiškojo pasipriešinimo ir koncentracijos poveikio. Paimkime PEM kuro elementą, veikiantį apie 0,6 A viename kvadratiniame centimetre, – jis gali prarasti net 30 % teoriškai tikėtinos įtampos, dėl ko bendra sistemos efektyvumas sumažėja maždaug 18 %. Inžinieriams, dirbantiems su šiomis sistemomis, poliarizacijos kreivės tampa labai svarbiu įrankiu, siekiant rasti optimalų balansą tarp galios išvesties, matuojamos vatais viename kvadratiniame centimetre, ir aukšto efektyvumo lygio palaikymo. Tai ypač svarbu elektriniuose automobiliuose, kurie nuolat susiduria su kintančiomis energijos paklausa ir turi būti greitai reguliuojami, kad efektyviai veiktų skirtingomis važiavimo sąlygomis.

Perpolties analizė ir našumo nuostolių modeliavimas kuro elementuose

Perpate tampos yra pagrindinis efektyvumo nuostolių šaltinis degalų elementuose. Aktyvacijos nuostoliai dominuoja mažomis srovėmis, omino nuostoliai tiesiškai didėja kartu su srove, o koncentracijos nuostoliai atsiranda didelėmis apkrovomis dėl reaguojančių medžiagų stygiaus. Pažangūs modeliai kiekybiškai įvertina šiuos poveikius:

• Aktyvavimas : 150–300 mV kritimas (20–40 % efektyvumo nuostolis)
• Ominis : 50–120 mV kritimas (7–16 % nuostolis)
• Koncentracija : Iki 200 mV kritimo (27 % nuostolis)

Šių komponentų supratimas leidžia tiksliai diagnozuoti ir tobulinti degalų elementų konstrukcijas.

Svarbiausi parametrai, veikiantys degalų elemento galiai ir efektyvumui

Keturios pagrindinės kintamosios apima 92 % efektyvumo kaitą:

1. Temperatūra : SOFC efektyvumas padidėja apie 0,5 % kas 10 °C temperatūros pokytį intervale nuo 600 iki 900 °C
2. Skirimo : Katodo slėgio padvigubinimas PEMFC išeigoje padidina išėjimą 16 %
3. Drėgmė : Membranos laidumas mažėja 35 %, kai santykinis drėgnis nukrenta žemiau 80 %
4. Katalizatoriaus kiekis : Sumažinus platina iš 0,4 mg/cm² iki 0,1 mg/cm², medžiagų sąnaudos sumažėja 60 %, tačiau aktyvacijos nuostoliai padidėja 22 %

Sistemos projektuotojai dažnai naudoja jautrumo analizę, kad stacionariuose įrenginiuose efektyvumui teikti pirmenybę prieš maksimalią galingumą, kur ilgalaikis našumas svarbesnis už laikinų reakcijų poreikius.

Palyginus kuro elementų tipus ir jų sisteminį efektyvumą

PEMFC, SOFC ir MCFC technologijų efektyvumo palyginimas

Kuro elementų efektyvumas labai priklauso nuo to, kokio tipo elementai yra nagrinėjami. PEMFC, t. y. protonų keitimo membranos tipo elementai, paprastai pasiekia apie 40–60 procentų elektrinį naudingumo koeficientą. Jie dažniausiai naudojami automobiliuose ir nešiojamuose mažesniuose įrenginiuose. Taip pat yra SOFC – kietosios oksido rūšies kuro elementai, kurie veikia gan efektyviai, apie 45–65 procentų naudingumo koeficientu, tačiau tik stacionariose sistemose, pvz., jėgainėse. MCFC, t. y. lydymosi karbonato tipo elementai, pasiekia panašų elektrinį naudingumo koeficientą – nuo 50 iki 60 procentų. Tai, kas juos išskiria, yra tai, kad veikdami derinto šilumos ir energijos režimu, bendras naudingumo koeficientas viršija 85 procentus dėl labai aukštų eksploatacinių temperatūrų – tarp 600 ir 700 laipsnių Celsijaus. Tiems, kas nori palyginti šias skirtingas technologijas šalia viena kitos, žemiau pateiktoje lentelėje rasite visas pagrindines charakteristikas ir našumo rodiklius.

SOFC demonstruoja geresnį našumą tęstinėje veikloje dėl gebėjimo vidaus būdu reformuoti angliavandenilių kuras, tokius kaip gamtinis dujos, kaip nurodyta 2024 m. Kuro elementų efektyvumo ataskaitoje.

Membranų ir jonų laidumo skirtumai tarp skirtingų kuro elementų tipų

Tai, kaip juda jonai, lemia visą skirtumą, kalbant apie sistemos efektyvumą. Paimkime PEMFC – šios kuro elementai priklauso nuo drėgnų polimerinių membranų protonams perduoti, o tai reiškia, kad būtina palaikyti pakankamai aukštą drėgmę. Jei drėgnumas nukrenta žemiau 30 %, našumas sumažėja daugiau nei 20 %. Dabar pažvelkime į SOFC – jie veikia su elektrolitu, vadinamu itrijumi stabilizuota cirkonija. Šie elementai sukurti deguonies jonų transportavimui esant kur kas aukštesnei temperatūrai, todėl nebegauna rūpintis vandens valdymu. Tačiau kompromisas? Jiems reikia labai ilgai įkaisti, kol galės atlikti bet kokią naudingą veiklą. MCFC pasirenka visiškai kitą kelią, naudodami lydymosi karbonato druskas angliačių jonams pervežti. Tokia konfigūracija leidžia jiems viduje reformuoti metaną be išorinio apdorojimo. Be to, jie pasiekia 15–20 procentų didesnį kuro panaudojimą, palyginti su žemesnės temperatūros alternatyvomis.

Kuro elementų sistemų (FCS) sistemos lygio efektyvumo analizė

Bendras sistemos efektyvumas priklauso nuo pagalbinių komponentų:

• Kuro reformatoriai gamina vandenilį iš gamtinių dujų 85–92 % efektyvumu
• Pažangus šilumos valdymas sumažina parazitines apkrovas 8–12 %
• Galios elektronika, pagrįsta silicio karbidu, pasiekia 97 % nuolatinės srovės/kintamosios srovės konvertavimo efektyvumą

Kai integruota su šilumos atgavimo sistema, SOFC sistemos pasiekia 75–80 % bendrą energijos naudojimo efektyvumą, kuris ženkliai pranašesnis už atskiras PEMFC sistemas (55–60 %), kaip parodyta didelio masto tinkle stabilumo tyrimuose. Nepaisant didesnių kapitalinių išlaidų (3 100–4 500 USD/kW prieš 1 800–2 400 USD/kW PEMFC), tai daro SOFC idealias bazinės galios gamybai.

Pažangios medžiagos kuro elementų našumui gerinti

Katalizatorių (platinos, nanokatalizatorių) vaidmuo kuro elementų efektyvumui gerinti

Katalizatorių kaina sudaro apie 35–45 procentus viso šių sistemų gamybos kaštų, be to, jie esminiai nustatant cheminės reakcijos greitį. Pagal praėjusiais metais paskelbtą JAV energetikos departamentui (DOE) ataskaitą, PEMFC technologijoje platina vis dar yra lyderė, pasiekiant srovės tankį tarp 5–7 mA vienam kvadratiniam centimetrui. Tačiau šiuo metu vyksta įspūdingi tyrimai su nano katalizatoriais. Šios naujos medžiagos leidžia gamintojams sumažinti platinos naudojimą beveik dviejų trečdalių, nesutrikdydami protonų keitimo proceso. Kai kurie neseniai atlikti tyrimai parodė, kad iridžio maišymas su grafenu padidina deguonies redukcijos reakcijos efektyvumą maždaug viena penktoja, palyginti su standartine vien tik platina. Tokios pažangos galėtų žymiai sumažinti gamybos išlaidas ir kartu padidinti degalų elementų tarnavimo laiką.

Inovacijos elektrodų ir elektrolitų konstrukcijoje siekiant didesnio jonų laidumo

Nauji daugiasluoksniai elektrodų dizainai pasiekia įspūdingus jonų laidumo lygius tarp 0,15 ir 0,22 S/cm, veikiant apie 80 laipsnių Celsijaus temperatūroje, kas yra apie 40 procentų didesnis rodiklis lyginant su tradicinėmis elektrodų struktūromis. Kalbant apie kompozitines membranas, pagamintas iš sulfonuoto polieterio eterio ketono, kuris dažniausiai žinomas kaip SPEEK, jos taip pat rodo nuostabius rezultatus. Šios medžiagos sumažina vandenilio perėjimą net 85 procentais, tuo pačiu išlaikydamos storį vos apie 90 mikrometrų. Jungtinių Amerikos Valstijų energijos departamentas nustatė, kad tokių patobulinimų įdiegimas gali sumažinti ominių nuostolių apie 300 milivoltų esant srovės tankiui 1,5 A/cm². Toks sumažėjimas tikrai daro įtaką šių sistemų bendram našumui.

Kainos ir našumo balansas: brangiųjų metalų katalizatorių kompromisai

Hibridiniai katalizatoriai, sujungiantys platina nanodaleles su geležies-azoto-karbono struktūromis, sumažina medžiagų sąnaudas 58 %, išlaikant 91 % pradinės efektyvumo normos ir pratęsiant eksploatacijos trukmę ilgesnėms nei 12 000 valandų pramoniniuose įrenginiuose, remiantis 2024 metų medžiagų tyrimais.

Darbo sąlygų optimizavimas degalų elementų efektyvumui maksimaliai padidinti

Temperatūros ir slėgio poveikis degalų elemento našumui

Teisingas šilumos ir slėgio balansas lemia, kaip efektyviai veikia šios sistemos. Konkrečiai PEMFC sistemoms palaikant temperatūrą apie 60–80 laipsnių Celsijaus, protonai geriau juda per sistemą, taip pat neleidžiant membranoms išdžiūti. Tačiau kai temperatūra viršija 90 laipsnių, pradeda kilti problemų. Šiose aukštesnėse temperatūrose hidratacija sumažėja maždaug 30–40 procentų, kas reiškia, kad jonams sunkiau judėti. Iš slėgio pusės padidinus katodo slėgį iki apie 2–3 barų iš tikrųjų padeda deguonies greičiau pasiekti reikiamas vietas, dėl ko galime gauti apie 15–20 procentų galingumo padidėjimą. Pernai paskelbti tyrimai taip pat parodė kažką įdomaus. Mokslininkai nustatė, kad derindami tinkamą temperatūros valdymą su šiek tiek didesniu slėgiu, automobilių taikymuose įtampa sumažėjo beveik ketvirtadaliu, pagal 2024 m. žurnale Applied Energy paskelbtus rezultatus.

Optimalus katodinio slėgio ir oro srauto greitis (μL/min) maksimaliam našumui

Kalbant apie PEMFC katodus, nustatymas oro srauto greitį tarp 550 ir 650 mikrolitrų per minutę esant apie 2,1 bar slėgiui sukuria tinkamą balansą tarp pakankamo deguonies kiekio ir pernelyg didelių energijos nuostolių dėl kompresijos. Iš tiesų, kompresoriai šiose sistemose jau sunaudoja nuo 8% iki 12% visos galios. Jei operatoriai viršija 750 mikrolitrų per minutę, jie pradeda patirti didesnes energijos sąnaudas be didelės naudos našumo požiūriu. Tačiau mokslininkai nustatė, kad tuo metu, kai technikai vienu metu reguliuoja tiek slėgio lygmenis, tiek oro srautą, toks požiūris iš tikrųjų padidina bendrą sistemos efektyvumą beveik 4 procentiniais punktais, palyginti su atskirų parametrų keitimu. Pernai paskelbtas tyrimas „ScienceDirect“ patvirtina šiuos rezultatus ir pabrėžia, kodėl koordinuoti reguliavimai yra tokie svarbūs degalų elementų veikimui.

Drėgmės ir reagentų tiekimo valdymas PEM kuro elementuose

Tiksli drėgmės kontrolė yra būtina: žemiau 40 % santykinės drėgmės protonų laidumas staigiai mažėja, o aukščiau 85 % santykinės drėgmės dujų difuzijos sluoksniuose atsiranda užliejimas. Automatinis drėkinimas ir realaus laiko reagentų stebėjimas per 5 000 valandų veikimą sumažina našumo mažėjimą 42 %.

Valdymo strategijos ir realaus laiko optimizavimas nuolatiniam galios išėjimui

Maksimalios galios taško sekimo (MPPT) metodai kuro elementų sistemose

Maksimalios galios takos sekimo arba MPPT algoritmai veikia nuolat koreguodami, kiek elektros energijos yra traukiama, kad gautume maksimalią įmanomą galios išvestį, net kai aplinkos sąlygos keičiasi. Senesnis metodas, vadinamas trikdymo ir stebėjimo metodu, iš tikrųjų dirba gana gerai, pasiekdamas apie 92–94 procentų efektyvumą, kai sąlygos keičiasi ne per greitai. Tačiau naujesnės sistemos, kurios naudoja neuroninius tinklus, išlaiko virš 97 % efektyvumą net tada, kai apkrova staigiai kinta, kaip paskelbta praeitais metais „Journal of Power Sources“ žurnale. Šių išmaniųjų valdiklių tikra vertė slypi jų gebėjime tvarkyti įtampos šuolius ir kritimus, kurie atsiranda dėl vandenilio slėgio lygio pokyčių ir membranų džiūvimo eksploatacijos metu.

Pažangūs valdymo algoritmai dinaminiam efektyvumui optimizuoti

Šiuolaikiniai valdymo sistemos integruoja modelio prognozuojamąjį valdymą su neapibrėžtąja logika, kad būtų išlaikytas pusiausvyra tarp efektyvumo, galios tankio ir ilgaamžiškumo. 2023 m. tyrimas parodė 18 % didesnį efektyvumą PEMFC sistemose sinchronizuojant oro srauto greitį su realaus laiko duomenimis apie grandinės temperatūrą. Šie algoritmai vienu metu optimizuoja:

• Katodo slėgį (1,2–2,1 bar)
• Drėgmę (80–95 % santykinės drėgmės)
• Vandenilio stichiometriją (1,1–1,3 santykis)

Šis visapusiškas požiūris užtikrina stabilų veikimą kintamomis eksploatacinėmis sąlygomis.

Realaus laiko stebėsenos ir adaptacinių grįžtamųjų ryšių integravimas

Dėl mažųjų IoT jutiklių, integruotų tiesiai į sistemą, bei galingos kraštinei apdorojimui skirtos skaičiavimo technikos skaitmeniniai dvyniai gali reaguoti į problemas per mažiau nei 5 milisekundes. Realios sąlygos bandymai parodė, kad tokioms sistemoms veikiant su protingais atsirkos kilpomis, našumo problemos sumažėja apie 40 % kietojo oksido kuro elementams, veikiantiems temperatūrose aukštesnėse nei 700 laipsnių Celsijaus. Kontroleriai, kurie viskuo tvarko, taip pat netvarko tik kelių kintamųjų – jie vienu metu valdo dvylika ar daugiau parametrų. Šios pažangios sistemos su itin dideliu tikslumu – apie 94 % atvejų – numato, kiek įtempimo kaupiasi membranose. Tai reiškia stabilų energijos gamybą be tų erzinančių patikimumo problemų, kurios kamavo senesnes sistemas.

DAK

Koks yra tipinis komercinių kuro elementų efektyvumo diapazonas?

Dauguma komercinių kuro elementų veikia apie 40–60 procentų efektyvumu.

Kaip temperatūra veikia kietojo oksido kuro elemento (SOFC) efektyvumą?

SOFC našumas didėja maždaug 0,5 % kas 10 °C temperatūros pokytį 600–900 °C diapazone.

Kas yra maksimalios galios taško sekimas (MPPT) kuro elementų sistemose?

MPPT algoritmai reguliuoja elektros srovę, kad maksimaliai padidintų galios išvestį, net jei keičiasi sąlygos.

Koks katalizatorių vaidmuo kuro elementuose?

Katalizatoriai, tokie kaip platinos, kontroliuoja reakcijos greitį ir sudaro nuo 35 iki 45 procentų bendrų gamybos išlaidų.