Введение к работе
Актуальность темы. Ограниченность мировых запасов углеводородов, а также обострение экологических проблем, вызванных их повсеместным использованием, обуславливает повышение интереса к альтернативным энергоносителям. В этом контексте, высокая энергоемкость и широкая распространенность на Земле водорода, а также эффективность и экологичность процессов преобразования энергии с его участием, позволяют рассматривать водородную энергетику как потенциальную основу будущей мировой энергетики.
Водородная энергетика базируется на топливных элементах (ТЭ), являющихся электрохимическими источниками электрической энергии. В основе работы ТЭ лежит прямое преобразование химической энергии в электрическую, что позволяет получить высокий КПД. Теоретический КПД ТЭ составляет ~ 83%, а для реальных систем - около 70%.
Из существующих сейчас типов ТЭ наибольший интерес представляет ТЭ с протонообменной мембраной, поскольку он технологичен, имеет высокий КПД и работает при низких температурах. Работа ТЭ с протонообменной мембраной определяется большой совокупностью параметров (давление, увлажненность подводимых газов, температура ячейки, электрический режим работы и т.д.), а также в значительной степени зависит от текущего состояния мембранно-электродного узла и газотранспортных каналов, существенно влияющих на КПД преобразования энергии, надежность и стабильность работы ТЭ. Поэтому в современной водородной энергетике одной из центральных задач, которая требует решения для начала широкого повсеместного использования топливных элементов, является разработка надежных методов контроля и диагностики топливного элемента непосредственно в процессе его функционирования. Для построения соответствующих систем диагностики, в рамках данной работы, предлагается использовать информационные свойства их электрических флуктуации и шумов ТЭ.
Диагностика на основе электрохимических шумов широко используется для исследования коррозии металлических пленок и электродов, качества выполнения пассивационных покрытий, для оценки уровня заряда и детектирования перезарядки электрохимических батарей и т.д. Существенным достоинством электрошумового метода диагностики является то, что проведение соответствующих измерений не предполагает какого-либо возмущения электрохимической системы внешними зондирующими сигналами.
На данный момент интерес к флуктуационным процессам, протекающим в топливных элементах, неуклонно растет. В этой области можно выделить работы Дж.Х. Миллера (J.H. Miller) и А.А. Куликовского (АА. Kulikovsky). В работах А.А. Куликовского производится теоретический анализ возможных источников флуктуации и шумов в топливных элемента. Дж.Х. Миллер и его коллеги экспериментально установили зависимость между техническим состоянием мембранно-электродного узла ТЭ и спектральными характеристиками токовых флуктуа-
ций. Однако следует отметить, что флуктуационные явления, протекающие в топливных элементах, в частности, в мембранных топливных элементах, на данный момент изучены не в полной мере. Нет данных по систематическому исследованию электрических шумов и флуктуации ТЭ и их диагностических свойств.
Поэтому возникает актуальная задача изучения флуктуационных процессов в топливных элементах и их систематического описания, что позволит более полно понять физико-химические процессы, протекающие в этих элементах, выявить возможные источники флуктуации и шумов в топливных элементах, а также исследовать возможность разработки на их основе метода неразрушающе-го контроля технического состояния топливных элементов.
Объект исследования -электрические флуктуации и шумы водородных топливных элементов
Предмет исследования - информационные свойства и диагностические признаки электрических флуктуации и шумов водородного топливного элемента
Цель диссертационной работы - разработка метода неразрушающего контроля водородного топливного элемента, позволяющего диагностировать его техническое состояние в процессе эксплуатации.
Научная задача исследования - разработка научно-методических основ построения приборов технической диагностики топливного элемента по его флук-туационно-шумовым характеристикам.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка метода диагностики технического состояния водородного топливного элемента по его электрическим и флуктуационно-шумовым характеристикам;
Теоретическое обоснование предложенного метода. Разработка электрической флуктуапионно-шумовой модели водородного топливного элемента;
Экспериментальное исследование и обоснование предложенного метода. Разработка соответствующей методики эксперимента;
Разработка структурной схемы, алгоритмического и аппаратно-программного обеспечения, реализующего предложенный метод в приборе для диагностики топливного элемента.
Методы исследований. В работе использовались методы теории вероятностей и математической статистики, методы математического моделирования, методы спектрального и корреляционного анализа, методы параметрической идентификации, методы измерения флуктуационных и шумовых сигналов, а также методы исследований электрохимических систем.
Научная новизна работы
1. Предложен и научно обоснован метод флуктуапионно-шумовой диагностики технического состояния водородного топливного элемента в процессе его эксплуатации, основанный на особенности и зависимости спектра электрических флуктуации от режимов работы ТЭ. Установлено, что особенностью спектра яв-
з ляется его фликкер-шумовой характер/"7 с дробно-степенным показателем у с тремя характерными частотными участками спектра (нижние, средние и верхние частоты), в которых показатели у различны у' Ф у" Ф у'".
Предложена электрическая флуктуационно-шумовая модель водородного топливного элемента, обоснованная в рамках электрохимических процессов переноса заряда в мембранно-электродном узле. Данная модель позволяет теоретически обосновать метод флуктуационно-шумвой диагностики и выявить диагностические связи между электрическими флуктуациями ТЭ и его техническим состоянием. Показано, что техническое состояние ТЭ позволяют оценивать следующие диагностические признаки: дробно-степенной показатель у' спектральной плотности токовых флуктуации ТЭ в низкочастотной области (f< 1 Гц), а также нормированные среднеквадратические значения (СКЗ) о', о" и о'" токовых флуктуации ТЭ соответственно в трех частотных диапазонах (0,1-1 Гц; 1-10 Гц; 10-100 Гц).
Предложены критерии оценки технического состояния ТЭ. Данные критерии позволяют диагностировать до пяти критических режимов работы водородного ТЭ: а) критическое переувлажнение мембранно-электродного узла; б) критическое пересыхание мембранно-электродного узла; в) критические диффузионные потери, связанные с транспортировкой реагентов к электродам; г) критические потери, обусловленные скоростью электрохимической реакции; д) критический рост сопротивления протонообменной мембраны.
Практическая ценность работы. Разработана типовая структурная схема, алгоритмическое и программно-аппаратное обеспечение прибора флуктуацион-но-шумовой диагностики топливного элемента, позволяющего осуществлять оценку технического состояния водородного топливного элемента в процессе эксплуатации без прерывания или изменения режима его работы. На программно-алгоритмическое обеспечение прибора было получено свидетельство о регистрации программ для ЭВМ №2011617357 (21.09.2011).
Теоретические и экспериментальные результаты и выработанные на их основе рекомендации позволяют расширить функциональные возможности средств диагностики водородных ТЭ.
Ряд результатов в виде рекомендации, схемных решений и аппаратных реализаций используются в НИР на кафедре Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники КНИТУ-КАИ и в лаборатории CNRS UPR 3346 Университета города Пуатье (Франция), а также в учебном процессе КНИТУ-КАИ
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы были использованы при выполнении:
1. НИР в рамках международного российско-французского гранта РФФІІ-CNRS №07-08-92167 НЦНИа и проекта PICS (INTERNATIONAL PROJECTS OF SCIENTIFIC COOPERATION 2007) «Изучение нестационарных и флуктуацион-ных явлений в топливных элементах с протонообменной мембраной»;
2. НИР по заданию министерства образования и науки Российской Федерации № 1.2.05 тема «Разработка научных основ создания новых информационно-измерительных средств на базе физико-химических процессов в распределенных средах для мониторинга и прогнозирования состояния природно-техногенной сферы» депонирована в ВИНИТИ №01200510994.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью использования статистических методов, спектрального анализа, цифровой обработки сигналов, совпадением результатов математического и имитационного моделирования, экспериментальных и теоретических результатов, а также согласованностью с данными экспериментов других авторов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Метод флуктуационно-шумовой диагностики водородного топливного
элемента;
Структура прибора технической диагностики водородного топливного элемента;
Результаты экспериментальных исследований электрических флуктуапи-онно-шумовых и импедансных характеристик водородного топливного элемента;
Электрическая модель водородного топливного элемента, моделирующая электрохимические процессы переноса заряда в мембранно-электродном узле ТЭ;
5. Флуктуационно-шумовая модель водородного топливного элемента.
Апробация работы. Основные положения и результаты представлялись на
следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Образовательные научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments», Москва (2005-2009; 2011 гг.); Всероссийская научно-практическая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем», Чебоксары (2009, 2010 гг.); Международная НТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Казань (2008, 2012 гг.); Международная НТК «Информационные системы и технологии», Н. Новгород (2007г.); Всероссийская научная конференция «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», Казань (2007 г.); IV Международная конференция «Методы и средства управления технологическими процессами», Саранск (2007 г.); Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения», Казань (2004,2005,2006).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 24 печатных работах, в том числе в 6 статьях (из них - 4 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях), 2 - в коллективных монографиях, в 11 - в трудах и материалах конференции, 1 - в тезисах докладов, 1 - в отчетах по НИР, 1 - в патенте РФ на полезную модель, 2 - свидетельстве о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора определяется разработкой метода флуктуационно-шумовой диагностики и флуктуационно-шумовой модели водородного топливного
5 элемента, программно-аппаратной реализации измерительного оборудования, а также обработкой экспериментальных данных выполненными на кафедре РИИТ КНИТУ-КАИ и лаборатории CNRS UPR 3346 Университета города Пуатье (Франция).
Структура работы. Диссертация состоит и введения пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 3 приложений. Она изложена на 227 страницах и содержит 126 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 207 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность всему коллективу лаборатории CNRS UPR 3346 Университета города Пуатье (Франция) и профессору С.А. Мартемьянову за огромную помощь при реализации экспериментальных исследований, консультации и поддержку при написании данной диссертации.
