Импульсный режим работы электролизера в системе резервного электропитания судна

Abstract

В статье рассматривается импульсный режим работы электролизёра и топливных водородных ячеек типа PEM. Рассмотрена обобщенная модель топливного элемента PEM, работающая на водороде и воздухе, которая может быть использована для моделирования систем топливных элементов в судовой системе резервного электропитания. Модель топливного элемента сочетает в себе электрические и химические особенности моделей топливных элементов и применяется в интегрированной библиотеке Sim Power Systems (Simulink-Matlab) как модель штатного водородного топливного элемента. В работе обосновывается наиболее эффективный режим электролиза водорода с использованием импульсного источника питания. Оценка эффективности электролиза основана на утверждении об экспоненциальной зависимости тока от времени, где показано, что импульсный режим работы электролизёра значительно уменьшает затраты электроэнергии на получение необходимого количества водорода для судовой системы резервного электропитания. Показано, что для повышения эффективности процесса необходимо иметь близкие время заряда и постоянную времени заряда, а также должны быть созданы условия для максимального значения постоянной времени разряда. При этом в системах с релаксацией во внешней среде возможно повышение эффективности процесса. У статті розглядається імпульсний режим роботи електролізера і паливних водневих осередків типу PEM. Розглянуто узагальнена модель паливного елемента PEM, що працює на водні та повітрі, яка може бути використана для моделювання систем паливних елементів в судновий системі резервного електроживлення. Модель паливного елемента поєднує в собі електричні та хімічні особливості моделей паливних елементів і застосовується в інтегрованій бібліотеці Sim Power Systems (Simulink-Matlab) як модель штатного водневого паливного елемента. У роботі обґрунтовується найбільш ефективний режим електролізу водню з використанням імпульсного джерела живлення. Оцінка ефективності електролізу заснована на твердженні про експоненційної залежності струму від часу, де показано, що імпульсний режим роботи електролізера значно зменшує витрати електроенергії на отримання необхідної кількості водню для суднової системи резервного електроживлення. Показано, що для підвищення ефективності процесу необхідно мати близькі час заряду і постійну часу заряду, а також повинні бути створені умови для максимального значення постійної часу розряду. При цьому в системах з релаксацією в зовнішньому середовищі можливе підвищення ефективності процесу. The use of fuel cells on sea vessels is also a promising area. However, one of the main problems of using hydrogen as an energy carrier is its production and storage. The article deals with the impulse mode of operation of electrolyzer and fuel hydrogen cells of PEM type. The paper substantiates the most effective mode of electrolysis of hydrogen using a pulsed power source. The evaluation of the efficiency of electrolysis is based on the statement about the exponential dependence of the current on time, where it is shown that the impulse mode of operation of the electrolyzer significantly reduces the energy costs for obtaining the required amount of hydrogen for the ship backup power system. It is shown that to increase the efficiency of the process it is necessary to have a close charge time and a charge time constant, and conditions must be created for the maximum value of the discharge time constant. In systems with relaxation in the external environment, it is possible to increase the efficiency of the process. However, in actual tasks, the conditions may differ significantly from those indicated above, and fuel cells can not use all of the fuel. Approximately 15 to 20% of the fuel (hydrogen) remains at the output of the anode, which can be reused. The paper presents a simplified model of the fuel cell PEM, which is a battery of fuel cells operating at nominal conditions of temperature and pressure. A detailed description of the PEM model is a set of fuel cells taking into account the changing parameters: pressure, temperature, composition and flow rate of fuel and air. A generalized model of a PEM fuel cell operating on hydrogen and air is considered, which can be used to simulate fuel cell systems in a ship backup power system. The fuel cell model combines the electrical and chemical features of the fuel cell models and is used in the Sim Power Systems (Simulink-Matlab) integrated library as a model of the hydrogen fuel cell. The relative simplicity of the design makes fuel cells competitive enough in the market for alternative sources of electricity.