Московский Энергетический Институт Национальный Исследовательский Университет Магистерская диссертация

Московский Энергетический Институт (Национальный Исследовательский Университет) Магистерская диссертация Тема: Разработка и расчет электрохимической энергоустановки мощностью 600 Вт на базе водород-воздушных топливных элементов для беспилотного летательного аппарата Группа: Фп-04 -07 Студент: Павлов В. И. Преподаватель: Нефёдкин С. И.

Введение Рис. 1

Преимущества энергоустановок на базе ТЭ с твердполимерным электролитом: • значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду; • значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации; • эффективное использование топлива и высокий КПД; • низкие затраты на эксплуатацию (не требуются замена масла, присутствие оператора); • плавные вольтамперные характеристики, высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.

Оборудование для измерения активности электродов: Схема жидкостной газодиффузионной полуячейки: 1 – корпус ячейки, 2 – жидкий электролит, 3 – электрокатализатор, нанесенный на ГДС 4, 5 –токоподвод рабочего электрода с газовыми каналами 8, 6 – капилляр электрода сравнения, 7 вспомогательный электрод Потенциостат Elins P-30 s

Стационарные анодные характеристики при Е=500 м. В (отн. ОВЭ) электродов на основе ГДС с различным содержанием компонентов: [1] – 28 мкг. Pt/см 2, [2] – 68 мкг. Pt/см 2, [3] – 5692 мкг. Pt/см 2, [4] – 32 мкг. Pt/см 2, [5] – 618 мкг. Pt/см 2, [6] – 265 мкг. Pt/см 2, [7] – 146 мкг. Pt/см 2. Условия: атмосферное давление, комнатная температура, 100% увлажнение газа, электролит 0, 5 М H 2 SO 4. Стационарный режим при U=500 m. V. Анод 400 i, m. A/cm 2 i, m. A/g 8000 5 350 1 7000 6000 300 250 5000 3 6 7 1 4 200 4000 150 3000 7 2 6 5 3 4 2 100 2000 50 1000 0 0 50 100 t, sec 150 200

Катод. Удельный ток при Е=500 м. В (отн. ОВЭ). Образцы: [1] – 28 мкг. Pt/см 2, [2] – 68 мкг. Pt/см 2, [3] – 5692 мкг. Pt/см 2, [4] – 32 мкг. Pt/см 2, [5] – 618 мкг. Pt/см 2, [6] – 265 мкг. Pt/см 2, [7] – 146 мкг. Pt/см 2. Условия: атмосферное давление, комнатная температура, 100% увлажнение газа, электролит 0, 5 М H 2 SO 4. Стационарный режим при U=-500 m. V. Катод i, m. A/mg i, m. A/cm 2 0 0 0 -20 50 100 2 150 0 200 50 100 150 200 -500 -40 1 4 3 -60 6 2 5 -1000 7 -80 6 5 7 -1500 -100 1 -120 -2000 -140 -160 t, sec -2500 t, sec 4 3

Методика нахождения удельной площади поверхности платины ЦВА. 20 m. V/s. i, m. A/cm 2 8 -2 0 0. 5 1 1. 5 U, В Циклическая вольтамперная характеристика с разверткой 20 м. В/с. Образцы: [ [68+Ti] – 68 мкг. Pt/см 2. Условия: атмосферное давление, комнатная температура, электролит 0, 5 М H 2 SO 4. Содержание Pt, mg/cm 2 28 68 Удельная площадь Pt, m 2/g 46. 03 32. 17 5692 32 192 618 265 146 3. 31 50. 27 15. 27 14. 95 13. 97 13. 95

Определение влияния иономера. ГДС Freudenberg H 2 315 T 10 с нанесенной платиновой чернью (1 - 28 мкг. Pt/см 2, Ti-подслой; 2 - 32 мкг. Pt/см 2, без Ti-подслоя; 3 - 28 мкг. Pt/см 2, Ti-подслой, Иономер; 4 - 32 мкг. Pt/см 2, без Ti-подслоя; Иономер). Условия: комнатная температура, увлажнение газа 100%, давление – атмосферное, электролит 0, 5 М H 2 SO 4. U, V -U, V ВАХ для использования электродов в качестве АНОДА. 0. 8 0. 7 2 ВАХ для использования электродов в качестве КАТОДА. 0. 7 1 0. 6 0. 5 0. 4 4 0. 3 4 3 3 0. 22 0. 1 1 0 0 100 200 i, m. A/cm 2 300 400 0 0 20 40 i, m. A/cm 2 60 80 100

Основное оборудование для испытания МЭБ. Собранная ячейка в разобранном виде Ячейка с МЭБ и уплотнителями. станция Hydrogenics G 60 для тестирования МЭБ.

p, м. Вт/см 2 400 350 300 250 200 1 4 150 100 2 3 50 0 0 3600 7200 10800 τ, сек 14400 18000 График зависимости удельной мощности МЭБ от времени работы. Характеристики снимались при комнатной температуре и 100% увлажнении окислителя (воздуха). Кривые: 1 - 100 мкг. Pt/см 2, Иономер 5%масс. Pt; 2 - 100 мкг. Pt/см 2, Иономер 30%масс. Pt; 3 - 250 мкг. Pt/см 2, Иономер 5%масс. Pt; 4 - 250 мкг. Pt/см 2, Иономер 30%масс. Pt.

Температура ячейки в зависимости от плотности тока t, °C 60 50 40 Без увлажнен. 30 Катод увлажнен. Газы увлажнен. Анод 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 i, m. A/cm 2 700 800 900 1000

ВАХ МЭБ (Анод: Углеграфитовая бумага Freudenberg H 2 315 T 10, Ti-подслой; 100 мкг. Pt/см 2, иономер 5%масс. Pt; Катод: углеграфитовая бумага Freudenberg H 2 315 T 10, Tiподслой; 100 мкг. Pt/см 2, иономер 5%масс) для БПЛА при различных режимах увлажнения газов. Условия: расход к водорода 0, 2 л/мин, расход кислорода 2 л/мин; Температура – комнатная, давление – атмосферное. Кривые: 1 – увлажнение газов отсутствует, 2 – увлажнение только водорода; 3 – увлажнение только воздуха, 4 – увлажнение всех газов. Проблемы с U, V 0. 9 4 0. 8 3 0. 7 0. 6 0. 5 1 0. 4 2 0. 3 0. 2 0. 1 26°C 0 0 100 30°C 200 33°C 300 37°C 400 40°C 500 i, m. A/cm 2 44°C 50°C 55°C 600 700 800 900 1000

Удельная мощность МЭБ (Анод: Углеграфитовая бумага Freudenberg H 2 315 T 10, Tiподслой; 100 мкг. Pt/см 2, иономер 5%масс. Pt; Катод: углеграфитовая бумага Freudenberg H 2 315 T 10, Ti-подслой; 100 мкг. Pt/см 2, иономер 5%масс) для БПЛА при различных режимах увлажнения газов. Условия: расход к водорода 0, 2 л/мин, расход кислорода 2 л/мин; Температура – комнатная, давление – атмосферное. Кривые: 1 – увлажнение газов отсутствует, 2 – увлажнение только водорода; 3 – увлажнение только воздуха, 4 – увлажнение всех газов. P, м. Вт/см 2 Проблемы с увлажнением. 450 400 3 350 4 300 250 200 150 2 1 100 50 33°C 30°C 0 0 100 200 37°C 300 40°C 400 50° 44°C 500 i, m. A/cm 2 600 700 55° 800 900 1000

Птеро Е 4 Краткие характеристики: • Взлетная масса (макс. ) • Дальность полета • Крейсерская скорость • Высота полета (макс. ) • Время полета • Мощность двигателя • Обороты двигателя Рис. 2 БПЛА ПТЕРО Е 4 (общий вид). Рис. 3. Подготовка Птеро Е 4 к запуску 20 кг. 100 км 85 -115 км/ч; 2000 м; 1 ч 30 мин; 2000 Вт; 290 об/В;

Для расчета БТЭ возьмем за основу монополярные пластины разработанные в ИПХФ РАН.

ВАХ МЭБ (Анод – 100 мкг. Pt/см 2 - Иономер 10%масс. Pt; Катод – 250 мкг. Pt/см 2 - Иономер 30%масс. Pt) при атмосферном давлении и комнатной температуре. Увлажнение водорода отсутствует U, V 0. 9 0. 8 0. 7 φ=100% 0. 6 Без увлажнен. φ=0% 0. 5 0. 4 0. 3 Катод увлажнен. 0. 2 0. 1 0 0 100 200 300 400 500 i, m. A/cm 2 600 700 800 900

Результаты конструктивного расчета По результатам расчета БТЭ получили следующие характеристики: §МЭБ 62 §Масса 1, 616 кг; §Мощность 660 Вт; §Напряжение 37, 2 В; §Номинальный ток 27 А; §Расход воздуха 13, 7 л/мин; §Расход водорода 4, 64 л/мин.

Оценочный расчет массы системы хранения водорода

Контроллер БТЭ (Horizon) Контроллер. A – логотип; B – индикатор; C – серийный номер; D – штекер подключения; E – замыкающий контур; F – кнопка вкл. /выкл. ; G – клемма катода БТЭ; H – клемма анода БТЭ; I – клемма нагрузки; J – клемма питания контроллера (+); K – клемма питания контроллера (-).

Термодинамический расчет Qохл, Вт 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 H, м [Tв-х (H)= a*H+b] 1500

Выводы по работе: • Результаты исследований показали, что для анода оптимальным является закладка платины 50 – 100 мкг. Pt/см 2, а для катода 250 – 500 мкг. Pt/см 2. Что касается количества иономера на поверхности, то оптимальными значениями являются для анода 5%масс. Pt, а для катода 30%масс. Pt. • Результаты расчета показали, что при одной массе источника тока использующегося в БПЛА и рассчитанного БТЭ, последний в роли энергоустановки БПЛА может работать в 6 раз дольше, чем заявленное заводом изготовителем время. • По результатам расчета предложенные монополярные пластины для БТЭ являются охлаждающим теплообменником.