WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ДЕНИСОВ ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ФЛУКТУАЦИОННО-ШУМОВАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПРОТОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ

Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискании ученой степени кандидата технических наук

Казань – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» на кафедре радиоэлектроники и информационно-измерительной техники

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РТ Евдокимов Юрий Кириллович

Официальные оппоненты:

Карамов Фидус Ахмадиевич, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», кафедра Электронного приборостроения, заведующий кафедрой Кулешов Николай Васильевич, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», кафедра Химии и электрохимической энергетики, заведующий кафедрой

Ведущая организация:

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Защита состоится 29 мая 2012 г. в ________ часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н.Туполева-КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул.

К.Маркса, д.31/7, ауд. 301.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева-КАИ, с авторефератом – на сайте КНИТУ-КАИ: http://www.kai.ru.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан «29» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук С.С. Седов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



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 флуктуаций 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 (A.A. Kulikovsky). В работах А.А. Куликовского производится теоретический анализ возможных источников флуктуаций 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 флуктуаций. 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 флуктуаций 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 флуктуаций и шумов в топливных элементах, а также исследовать возможность разработки на их основе метода неразрушающего контроля технического состояния топливных элементов.

Объект исследования –электрические флуктуации и шумы водородных топливных элементов Предмет исследования – информационные свойства и диагностические признаки электрических флуктуаций 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 флуктуационно-шумовым характеристикам.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка метода диагностики технического состояния водородного топливного элемента по его электрическим и флуктуационно-шумовым характеристикам;

2. Теоретическое обоснование предложенного метода. Разработка электрической флуктуационно-шумовой модели водородного топливного элемента;

3. Экспериментальное исследование и обоснование предложенного метода.

Разработка соответствующей методики эксперимента;

4. Разработка структурной схемы, алгоритмического и аппаратнопрограммного 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 флуктуационно-шумовой диагностики технического состояния водородного топливного элемента в процессе его эксплуатации, основанный на особенности и зависимости спектра электрических флуктуаций от режимов работы ТЭ. Установлено, что особенностью спектра яв- ляется его фликкер-шумовой характер f с дробно-степенным показателем с тремя характерными частотными участками спектра (нижние, средние и верхние частоты), в которых показатели различны ' '' '''.

2. 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 ' спектральной плотности токовых флуктуаций ТЭ в низкочастотной области (f < 1 Гц), а также нормированные среднеквадратические значения (СКЗ) , и токовых флуктуаций ТЭ соответственно в трех частотных диапазонах (0,1-1 Гц; 1-10 Гц;

10-100 Гц).

3. 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 флуктуационно-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 информационноизмерительной 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 РФФИCNRS №07-08-92167 НЦНИ_а и проекта PICS (INTERNATIONAL PROJECTS OF SCIENTIFIC COOPERATION 2007) «Изучение нестационарных и флуктуационных 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 информационноизмерительных 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;

2. Структура прибора технической диагностики водородного топливного элемента;

3. Результаты экспериментальных исследований электрических флуктуационно-шумовых и импедансных характеристик водородного топливного элемента;

4. 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 LabVIEW и технологии National Instruments», Москва (2005-2009; 2011 гг.); Всероссийская научнопрактическая 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 флуктуационношумовой диагностики и флуктуационно-шумовой модели водородного топливного 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 2страницах 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.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, сформулированы основные защищаемые положения. Показана научная новизна и практическая значимость работы. Описана структура диссертации и приведено ее краткое описание.

В первой главе рассмотрены основные принципы работы топливных элементов с протонообменной мембраной (ТЭПОМ), проведен анализ современных методов диагностики топливных элементов (ТЭ) и выявлены пути повышения эффективности оценки технического состояния топливных элементов.

Анализ литературных источников показал, что, несмотря на неоспоримые преимущества ТЭПОМ (технологичность, высокий КПД и низкие значения рабочих температур), данный вид топливных элементов имеет существенные недостатки – невысокие долговечность и надежность, обусловленные несовершенством конструкции и технологии их производства. Работа ТЭПОМ 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 (МЭУ) и газотранспортных каналов, существенно влияющих на КПД преобразования энергии и стабильность работы. Поэтому практическое применение источников электрической энергии на основе топливных элементов требует использования систем диагностики.

Традиционно техническое состояние ТЭ оценивают с помощью методов требующих остановки или существенного изменения его рабочего режима: диагностика по поляризационной кривой, метод прерывания тока, электроимпедансный метод и д.р. Эти методы требуют коммутации и управления большими токами, поэтому их использование для мощных ТЭ затруднено. К тому же наиболее часто используемый метод диагностики по поляризационной кривой (вольтамперометрический метод) требует вывода ТЭ из рабочего режима и приводит к уменьшению отдаваемой в нагрузку энергии. Позже были предложены новые методы технической диагностики топливного элемента – метод нейтронной радиографии, СКВИД-магнитометрия и т.д., однако эти методы имеют ограниченную функциональность и требуют дорогого оборудования, стоимость которого может многократно превышать стоимость энергетической установки.

Обзор литературных источников дает основание полагать, что соответствующий подход к созданию систем диагностики ТЭ может быть основан на использовании информационных свойств электрических флуктуаций и шумов ТЭ.

Существенным достоинством предложенного подхода является тот факт, что флуктуационные и шумовые измерения не предполагают какого-либо возмущения ТЭ внешними зондирующими сигналами.

В заключительной части первой главы показаны пути повышения эффективности систем технической диагностики топливных элементов, сформулирована цель и определены основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию предложенного метода флуктуационно-шумовой диагностики ТЭ.

В процессе работы топливного элемента наблюдается случайные изменения (флуктуации) физико-химических параметров элементов ТЭ. Из-за нестационарностей режима увлажнения мембранно-электродного узла, поддержания температуры и давления в газотранспортных каналах ТЭ возникают флуктуации сопротивления мембраны ТЭ, скорости протекания электрохимической реакции, коэффициента диффузии и емкости двойного электрического слоя. Эти флуктуации обуславливают стохастические изменения внутреннего импеданса топливного элемента ZFC(,t) и, как следствие, вызывают флуктуации электрического тока I и напряжения V топливного элемента (Рис. 1).

Кроме того, проведенный теоретический анализ показывает, что причиной -' возникновения дополнительной фликкер-шумовой составляющей (f ) в спектре электрических флуктуаций ТЭ являются процессы конденсации и испарения воды на поверхности мембранно-электродного узла (МЭУ) ТЭ. Теоретически показано, что динамическое равновесие встречных процессов конденсации и испарения паров воды в МЭУ соответствует значению показателя ' = 2. Показано, также что при ' > 2 преобладают процессы увлажнения, так как нарушается баланс процессов конденсации и испарения. При ' < 2 преобладают процессы испарения. Анализ экспериментальных данных показал, что в номинальном режиме работы ТЭ для низкочастотной области спектра параметр ' 2,2, что соответствует небольшому переувлажнению МЭУ. Этот результат хорошо согласуется с эмпирическом законом (F. Y. Zhang et al. Liquid Water Removal from a Polymer Electrolyte Fuel Cell // Journal of The Electrochemical Society, vol.153. – №2, 2006) роста во времени диаметра капли D в процессе конденсации в водородном топливном элементе с протонобменной мембраной D(t) = kt0,1, где k – размерный коэффициент. Это обстоятельство дополнительно подтверждает корректность и правильность теоретических выводов.

F IFC = I0+I E0 ZFC()+ZFC(,t) RL VFC = V0+V ТЭ Рис. 1. Возникновение электрических флуктуаций тока топливного элемента Статистические параметры флуктуаций, механизм возникновения которых описан выше потенциально обладают свойствами необходимыми для диагностики топливного элемента и оценки технического состояния его отдельных элементов. Таким образом, сущность метода флуктуационно-шумовой диагностики ТЭ можно определить как оценку технического состояния ТЭ по результатам измерения электрических токовых флуктуаций.

В работе показано, что основные электрические свойства ТЭ отражает линейная динамическая модель (малосигнальная эквивалентная электрическая схема, рис. 2), которая учитывает объемное сопротивление протонобменной мембраны RM, емкость двойного слоя С, сопротивление электрохимической реакции re и диффузионный импеданс thjD , ZD RD (1) jD где RD – сопротивление диффузионного импеданса по постоянному току, D – постоянная времени эквивалентной распределенной RC-структуры, – дробностепенной показатель. Импеданс ТЭ (рис. 2) описывается выражением ZFC( j) Z12( j) RМ (re ZD)ZC /(re ZD ZC), (2) IFN ISN RM+RM(t, Se, T) re+re(t, Se, T, P) RM re ZD 1 UN ZD+ZD(t, Se, T, P, Q) 1 C C+C(t, Se, T, Q) Рис. 3. Флуктуационно-шумовая модель водородРис. 2. Малосигнальная (линейная) экного топливного элемента вивалентная электрическая схема ТЭ Для построения системы неразрушающей диагностики ТЭ по измерениям его электрических флуктуаций требуется адекватная флуктуационно-шумовая модель ТЭ. Для этого была разработана соответствующая модель (рис. 3) путем комбинации флуктуационной и электрошумовой компонент топливного элемента. Флуктуационная компонента отражает электрические флуктуации ТЭ, обусловленные случайными изменениями параметров элементов электрических эквивалентной схемы ТЭ RM, re, ZD, C. Шумовая компонента учитывает вклад собственных шумов ТЭ (теплового шума UN, дробового шума ISN и фликкершума IFN) в общую структуру электрических флуктуаций ТЭ.

Адекватность разработанной флуктуационно-шумовой модели была проверена путем сравнения экспериментальной и модельной оценки спектральной плотности мощности (СПМ) электрических флуктуаций ТЭ (рис. 4). Их расхождение не превышает 12%. Это обстоятельство подтверждает, что разработанная флуктуационно-шумовая модель корректно описывает связи между электрическими флуктуациями и параметрами, характеризующими состояние ТЭ. Различие между модельной и экспериментальной оценкой СПМ (рис. 4) в диапазоне высоких частот объясняется наличием собственных шумов измерительной аппаратуры.

1E-СПМ токовых 1E-9 флуктуаций ТЭ 1E-Флуктуационношумовая модель 1E-1E-1E-1E-СПМ шумов измерительной 1E-аппаратуры 1E-1E-1E-0,1 1 10 100 10f, Гц Рис. 4. Спектральная плотность мощности S(f) токовых флуктуаций топливного элемента, работающего в номинальном режиме Третья глава посвящена экспериментальному исследованию электрических флуктуаций и шумов водородного топливного элемента и проверке возможности их использования в качестве диагностических признаков для оценки технического состояния ТЭ.

Для исследования электрических флуктуаций была разработана автоматизированная система измерения, состоящая из подсистемы обеспечения режимов работы ТЭ, системы измерения флуктуационно-шумовых сигналов (СИШ) и измерителя импеданса. Подсистема обеспечения работы топливного элемента была разработана на основе установка BANC TEST фирмы Fuel cell technologies, Inc. и позволяет задавать семь рабочих параметров топливного элемента: температуру ячейки топливного элемента TFC, увлажненность топлива A и окислителя C, скорость подачи (объемный расход) топлива QA и окислителя QC, давление на выходе газотранспортных каналов (РA, РC).

Для измерения токовых флуктуаций использовалась разработанная в рамках данной работы двухканальная СИШ. Каждый канал СИШ состоит из предварительного усилителя (ПУ) на основе малошумящего усилителя INA 103 фирмы Burr Brown (чувствительность ~ 1,5нВ/ Гц ), перестраиваемого частотного фильтра, основного усилителя (ОУ) с переключаемым коэффициентом усиления (102, 103, 104, 105) и аналогово-цифрового преобразователя - модуля сбора данS ( f ), В /Гц ных NI PXI-5922 фирмы National Instruments, имеющего разрядность 24 бит.

а) б) Рис. 5. Фотографии экспериментальной установки (а) и исследуемого ТЭ в разобранном виде (б) Система измерения импеданса (ИМП), основанная на встроенном в установку BANC TEST импедансметре, позволяет измерять частотные характеристики импеданса топливного элемента в частотном диапазоне 0,01 Гц – 40 кГц.

В работе исследовался ТЭ с протонообменной мембраной, мембранноэлектродный узел которого был изготовлен методом горячего прессования (T = 120C, P = 7,8 МПа, t = 130 c) в лаборатории CNRS UPR 3346 Университета города Пуатье (Франция).

Из большого объема экспериментальных данных были определены оптимальные условия работы топливного элемента, позволяющие получить стабильный и стационарный режим работы без существенного понижения энергетических характеристик при следующих параметрах: TFC = 60С; ТHA = 50С; ТHC = dry (без увлажнения); QA = 600 мл/мин; QC = 600 мл/мин; PA = PC = 300 кПа.

СПМ S(f) была измерена в частотном диапазоне 0,1-100 Гц. Нижняя граница частотного диапазона была выбрана с целью выделения микрофлуктуации ТЭ на фоне медленных нестационарных изменений среднего тока. Верхняя граница частотного диапазона (100 Гц) была выбрана из условия получения достоверной измерительной информации на фоне шумов измерительной аппаратуры S(f) > Sn(f), (3) где S(f) – спектральная плотность мощности микрофлуктуаций топливного элемента, Sn(f) – спектральная плотность шумов измерительной аппаратуры.

График S(f) (рис. 6, а), представленный в двойном логарифмическом масштабе показывает наличие трех характерных участков с различными наклонами, на которых он описывается универсальным законом вида (4) S(f) = 1/f, характерным для фликкер-шумовых и фрактальных процессов в системах самой различной природы. На этих участках коэффициенты наклона (или дробностепенные показатели ) имеют соответствующие значения: = 2,2 (в диапазоне 0,1-1 Гц); = 1,3 (в диапазоне 1-10 Гц); = 1,9 (в диапазоне 10-100 Гц).

Наблюдаемая форма спектра S(f) совпадает с рассчитанной в главе 2 из предложенной флуктуационно-шумовой модели ТЭ.

Для выявления взаимосвязей между электрическими флуктуациями и техническим состоянием ТЭ была измерена зависимость спектральной плотности мощности электрических флуктуаций ТЭ от его рабочих параметров (рис. 6, б-г).

Наибольшее влияние на флуктуационно-шумовые характеристики оказывают следующие параметры: рабочий ток IFC, температуры ячейки TFC и катодной увлажняющей системы THC, объемный расход окислителя QС. В меньшей степени влияют температура анодной увлажняющей системы THA и давление на выходе газотранспортных каналов P, тогда как воздействием объемного расхода водорода QA можно пренебречь.

1E-1E-60С ~ 70С 2,f 1E-80С ~ 1E-1,f 1E-~ 1,40С 1E-12 f 1E-1E-1E-50С 1E-16 1E-0,1 1 10 100 0,1 1 10 1 f, Гц f, Гц а. б.

1E-5 1E-60С 450мил/мин 600мил/мин 1E-50С 1E-300мил/мин 1E-1E-12 150мил/мин 1E-10С 20С 1E-30С 1E-30С 1E-1E-0,1 10 100 10 10,1 f, Гц f, Гц г.

в.

Рис. 6. Типовой график СПМ S(f) электрических флуктуаций ТЭ (а) и зависимости СПМ флуктуаций S(f) водородного ТЭ от (б) температуры ячейки TFC, (в) температуры катодной увлажняющей системы THA, (г) объемного расхода топлива QA СПМ S(f) можно разделить на три участка (рис. 6, а), то соответственно для количественного описания интенсивности электрических флуктуаций ТЭ можно использовать параметры: , , - среднеквадратические значения (СКЗ) флуктуаций в диапазонах частот 0,1-1 Гц, 1-10 Гц, 10-100 Гц.

Параметры и показали восприимчивость к изменениям практически всех рабочих параметров ТЭ, тогда как параметр показал чувствительность только к изменениям рабочего тока IFC, температуры катодной увлажняющей системы THC и расходу окислителя QС. Таким образом, параметры , , потенциально могут служить диагностическими признаками для оценки технического состояния ТЭ.

В четвертой главе была проведена экспериментальная проверка возможности использования электрических флуктуаций для оценки технического состояния топливного элемента и верификация их диагностических признаков.

Эксперименты показали, что диагностическим признаком критически недостаточного увлажнения мембранно-электродного узла (МЭУ) является уменьшение S'( f ), 1/Гц S'( f ), 1/Гц S'( f ), 1/Гц S'( f ), 1/Гц дробно-степенного показателя наклона ' в низкочастотной области до значений ' 1,7, а признаком критически избыточного увлажнения – его увеличение до значений ' 2,6. Это подтверждает теоретические результаты в главе 2, описывающие процессы конденсации и испарения паров воды в МЭУ на формирование спектра токовых флуктуаций.

Для установления диагностических свойств на остальных двух частотных диапазонах была предложена экспериментальная методика, основанная на одновременной регистрации импедансных и флуктуационно-шумовых характеристик топливного элемента. По измерениям частотных характеристик импеданса раздельно идентифицированы шесть основных параметров четырех ключевых элементов предложенной электрической модели ТЭ (емкость двойного слоя, диффузионный импеданс, сопротивление электрохимической реакции, сопротивление мембраны), что позволяет установить диагностические связи флуктуационно-шумовых характеристик с параметрами этих элементов.

На основе предложенной методики также были установлены диагностические взаимосвязи (рис. 7) между нормированными среднеквадратическими значениями (СКЗ) электрических флуктуаций ТЭ и параметрами его электрической модели, характеризующими техническое состояние: = f(RD), = f(re) и = f(RМ).

1,0E-2,5E-0,8E-2,0E-0,6E-1,5E-0,4E-4 1,0E-0,2E-0,5E-0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 0 0,5 1,5 2,0 2,RD, Омсм2 а.

re, Омсмб.

1,0E-7,5E-5,0E-2,5E-0,1 0,2 0,5 0,6 1,0,3 0,4 0,7 0,8 0,в.

RM, ОмсмРис. 7. Регрессионные зависимости: а) = f(RD), б) = f(re) и в) = f(RМ) Соответствующими диагностическими признаками являются: a) параметр ', характеризующий наклон графика спектральной плотности мощности электри ' '' ''' ческих флуктуаций ТЭ в низкочастотной области (f<1 Гц); б) нормированные среднеквадратические значения , и электрических токовых флуктуаций ТЭ для частотных диапазонов 0,1-1 Гц, 1-10 Гц и 10-100 Гц соответственно. На основе этих диагностических признаков метод позволяет выявлять до пяти критических режимов работы водородного ТЭ: а) критическое переувлажнение мембранно-электродного узла при ' 2,6; б) критическое пересыхание мембранноэлектродного узла при ' 1,7; в) критические диффузионные потери, связанные с транспортировкой реагентов к электродам для нормированных значений 3,910-5 в области нижних частот с вероятностью правильного обнаружения равной PD=0,88, и вероятностью ложной тревоги – PF=0,045; г) критические потери, обусловленные скоростью электрохимической реакции для 110-5 в области средних частот с соответствующими PD=0,92, PF=0,043; д) критический рост сопротивления протонообменной мембраны 4,310-6 в области верхних частот с соответствующими PD=0,64, PF=0,01.

Пятая глава посвящена разработке алгоритмического и аппаратнопрограммного обеспечения прибора технической диагностики водородного топливного элемента по его электрическим флуктуациям и шумам.

Сформулированы основные требования, предъявляемые к прибору флуктуационно-шумовой диагностики водородного топливного элемента.

Разработано и реализовано практически алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение прибора флуктуционно-шумовой диагностики водородного топливного элемента, реализующего предложенный метод флуктуационношумовой диагностики. Структурная схема разработанного прибора представлены на рис. 8, на котором используются следующие сокращенные названия: СПМ – блок вычисления спектральной плотности мощности, БОПФ – блок оценки параметров флуктуций.

«Критическое переувлажнение МЭУ» ' «Критическое ' в пересыхание МЭУ» ' «Критические VFC (t) СПМ БОПФ ' диффузионные потери» н '' «Критические ''' 'в потери э/х реакции» «Критический рост ''в сопротивления мембраны» '''в «Норма» Рис. 8. Обобщенная структурная схема прибора флуктуационно-шумовой диагностики водородного топливного элемента Разработанная система позволяет задавать различные режимы работы исследуемого ТЭ, измерять его электрические и флуктуационные характеристики, а также производить идентификацию пяти критических режимов: избыточное или недостаточное увлажнение мембранно-электродного узла ТЭ; высокие диффузионные потери, связанные с транспортировкой реагентов в область электрохимической реакции; высокие потери, связанные с протеканием электрохимической реакции; высокое сопротивление мембраны. Отличительной чертой разработанной системы является отсутствие возмущения режима работы ТЭ в процессе диагностирования его технического состояния.

По требованию оператора прибор позволяет измерить частотную характеристику импеданса ТЭ, получить оценку параметров электрической модели ТЭ, что позволяет осуществить дополнительную диагностику по данным импедансных измерений.

В Заключении представлены основные выводы по работе.

В трех Приложениях представлены обзор основных типов топливных элементов, оценка диагностических свойств электрических флуктуаций ТЭ, вызванных неравномерным распределением тока по поверхности протонообменной мембраны и методика выбора номинального режима работы ТЭ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Предложен метод флуктуационно-шумовой диагностики водородного топливного элемента (ТЭ) с протонообменной мембраной. Метод основан на особенности и зависимости спектра электрических токовых флуктуаций от режимов работы ТЭ. Особенностью спектра, установленной в данной работе, является его - фрактальный или фликкер-шумовой характер f с дробно-степенным показателем с тремя характерными частотными участками спектра (нижние, средние и верхние частоты), в которых показатели различны ' '' '''. Отклонение и величина этих показателей от номинальных значений служит диагностической основой метода. Предложенный метод наиболее эффективен при диагностике на основе показателя ' в низкочастотной области спектра, поскольку в ней сосредоточена основная доля мощности флуктуаций, обусловленных процессами конденсации и испарения паров воды мембранно-электродном узле ТЭ в режиме динамического равновесия. В рамках предложенного метода в качестве альтернативы диагностическим признакам, показывающим отклонение спектра от номинального, предложено использовать также среднеквадратические значения , и электрических флуктуаций, соответствующих трем характерным частотным участкам.

2. Для теоретического обоснования предложенного метода разработана электрическая флуктуационно-шумовая модель водородного топливного элемента, обоснованная в рамках электрохимических процессов переноса заряда в мембранно-электродном узле ТЭ. Сравнение теоретической и экспериментальной спектральных плотностей мощности флуктуаций показало совпадение с погрешностью не более 12%, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанной модели и обоснованность метода флуктуационно-шумовой диагностики ТЭ.

3. Экспериментально обоснован предложенный метод флуктуационношумовой диагностики. Для этого предложена экспериментальная методика, основанная на одновременной регистрации импедансных и флуктуационношумовых характеристик топливного элемента. По измерениям частотных характеристик импеданса раздельно идентифицированы шесть основных параметров четырех ключевых элементов предложенной электрической модели ТЭ (емкость двойного слоя, диффузионный импеданс, сопротивление электрохимической реакции, сопротивление мембраны), что позволило установить диагностические связи флуктуационно-шумовых характеристик с параметрами этих элементов.

4. На основе экспериментального материала верифицированы диагностические признаки флуктуационно-шумовых характеристик ТЭ. Такими признаками являются: дробно-степенной показатель ' спектральной плотности токовых флуктуаций ТЭ в низкочастотной области (f<1 Гц), а также нормированные среднеквадратические значения (СКЗ) , и токовых флуктуаций ТЭ соответственно в трех частотных диапазонах (0,1-1 Гц; 1-10 Гц; 10-100 Гц).

5. Экспериментально показано, что установленные диагностические признаки позволяют выявлять до пяти критических режимов работы водородного ТЭ:

а) критическое переувлажнение мембранно-электродного узла при ' 2,6; б) критическое пересыхание мембранно-электродного узла при ' 1,7; в) критические диффузионные потери, связанные с транспортировкой реагентов к электродам для нормированных значений 3,910-5 в области нижних частот; г) критические потери, обусловленные скоростью электрохимической реакции для 110-5 в области средних частот; д) критический рост сопротивления протонообменной мембраны 4,310-6 в области верхних частот.

6. Предложена функциональная схема, алгоритмическое и программноаппаратное обеспечение прибора флуктуационно-шумовой диагностики топливного элемента, позволяющего осуществлять оценку технического состояния водородного ТЭ в процессе его эксплуатации на основании диагностических признаков флуктуационно-шумовых и импедансных характеристик.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Денисов Е.С. Нелинейная и линейная электрические модели водородного топливного элемента и идентификация его параметров / Е.С. Денисов // Нелинейный мир. – 2008. – Т.6. – №8. – С. 483-488.

2. Денисов Е.С. Электрический шум водородного топливного элемента и исследование его диагностических свойств / Ю.К. Евдокимов, С.А. Мартемьянов, Е.С. Денисов // Нелинейный мир. – 2009. – Т.7. - №9. – С. 706-713.

3. Денисов Е.С. Построение систем контроля и диагностики водородного топливного элемента на основе наблюдения его электрических флуктуаций и шумов / Е.С. Денисов, Ю.К. Евдокимов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева – 2011. – №1. – С. 46-52.

4. Денисов Е.С. Прогнозирование режимов работы водородного топливного элемента на основе вейвлет-анализа его электрических флуктуаций / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов, О.В. Шиндор // Нелинейный мир. – 2011. - №12. – С.813-817.

Публикации в прочих научных изданиях:

5. Денисов Е.С. СКВИД-устройства как инструмент для измерения сверхмалых сигналов наносистем / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов // Проблемы нелинейного анализа в инженерных системах. – 2008. - №1(29). – С. 27-34.

6. Денисов Е.С. Исследование диагностических свойств электрического шума водородного топливного элемента / Е.С. Денисов // Электроника и информационные технологии. – 2009 выпуск 2(7) – 2009. – http://fetmag.mrsu.ru/20093/pdf/Electrical_noise.pdf – 0420900067/0087.

7. Денисов Е.С. Методы фрактальной геометрии и фрактальных процессов в задачах анализа и диагностики сложных систем / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов, Д.В. Шахтурин // Фракталы и дробные операторы : коллективная монография / под общ. ред. А.Х. Гильмутдинова – Казань: Изд-во «Фэн» Академии наук РТ, 2010. – Гл. 3. – С. 191-251.

8. Денисов Е.С. Фрактальный анализ флуктуаций и статистической динамики при количественной оценке состояния сложных систем / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов, Д.В. Шахтурин, О.В. Шиндор // Динамические явления в сложных системах / Под ред. А.В. Мокшина, С.А. Демина, Р.М. Хуснутдинова, О.Ю. Панищева – Казань: Изд-во МОиН РТ, 2011. – С. 103-126.

9. Разработка научных основ создания новых информационно-измерительных средств на базе физико-химических процессов в распределенных средах для мониторинга и прогнозирования состояния природно-техногенной сферы: Отчет о НИР (заключ.) / Казанский государственный технический университет им.

А.Н. Туполева; рук. Евдокимов Ю.К.; исполн.: Денисов Е.С. [и др.]. – Казань, 2010.

– 77с. – Библиогр.: с. 73-76 – Деп. в ВИНИТИ 01200510994.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и патент РФ на полезную модель:

10. Св-во гос. рег. прогр. для ЭВМ №2011617356 (21.09.2011). Программа оценки оптимальной величины порога для целей флуктуационно-шумовой диагностики водородного топливного элемента. / Е.С. Денисов, Ю.К. Евдокимов. – №2011617356, Заявл. 21.07.2011.

11. Св-во гос. рег. прогр. для ЭВМ №2011617357 (21.09.2011). Программное обеспечение автоматизированной системы флуктуационно-шумовой диагностики топливного элемента. / Е.С. Денисов, Ю.К. Евдокимов. – №2011617357, Заявл.

21.07.2011.

12. Патент на полезную модель №66526 РФ Стенд для исследования рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания в динамических режимах / А.К. Юлдашев, Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов [и др.]; заявитель и патентообладатель опубл. 10.09.2007. Бюл. №25. – 2 с.

Доклады и тезисы в сборниках статей и материалов конференций 13. Денисов Е.С. Программно-аппаратная реализация автоматизированной системы флуктуационно-шумовой диагностики топливного элемента / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов X международной научно-практической конференции (Москва, 8-9 декабря 2011 г.). – М.:

РУДН, 2011. – С. 371-373.

14. Денисов Е.С. Прогнозирование режима работы мембранно-электродного узла топливного элемента на основе вейвлет-анализа его электрических флуктуаций / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов, О.В. Шиндор // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций: матер. XII Междунар. науч.-технич. конф. (21-24 ноября 2011 г., г. Казань). – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2011. – С.455-456.

15. Денисов Е.С. Диагностика избыточного увлажнения мембранноэлектродного узла топливного элемента на основе вейвлет-анализа его электрических флуктуаций / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов, О.В. Шиндор // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: матер. IХ Всерос.

науч.-практич. конф. (5-8 октября 2011 г., г. Чебоксары). – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2011. – С. 28-30.

16. Денисов Е.С. Автоматизированная система электрошумовой диагностики водородного топливного элемента с протонообменной мембраной / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов 9-й международной научно-практической конференции (Москва, 3-4 декабря 2010 г.). – М.: РУДН, 2010. – С. 371-373.

17. Денисов Е.С. Система измерения шумовых характеристик топливного элемента на основе технологий National instruments / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов VII международной научнопрактической конференции (Москва, 28-29 ноября 2008 г.). – М.: РУДН, 2008. – С. 95-97.

18. Денисов Е.С. Исследование зависимости параметров линейной электрической модели топливного элемента от режима работы / Е.С. Денисов // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Тезисы докладов девятой международной научно-технической конференции (25-27 ноября 2008 г.). – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008. – С. 383-385.

19. Денисов Е.С. Измерение электрического шума водородного топливного элемента / Ю.К. Евдокимов, Е.С. Денисов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов VIII международной научно-практической конференции (Москва, 20-21 ноября 2009 г.). – М.: РУДН, 2009. – С. 276-278.

20. Денисов Е.С. Диагностические свойства электрического шума водородного топливного элемента / Ю.К. Евдокимов, С.А. Мартемьянов, Е.С. Денисов // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции (Чебоксары, 4-6 июня 2009 г.). – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2009. – С. 115-118.

21. Денисов Е.С. Двухканальное измерение спектральной плотности мощности шумового сигнала / Е.С. Денисов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments. Сборник трудов V международной научно-практической конференции (Москва, 17-18 ноября 2006 г.).

– М.: РУДН, 2006. – С. 230-233.

22. Денисов Е.С. Инструментальные методы измерения спектральной плотности мощности шумового сигнала / Е.С. Денисов, Ю.К. Евдокимов // Методы и средства управления технологическими процессами: Материалы IV международной конференции (Саранск, 24-26 октября 2007 г.). – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – С. 60-66.

23. Денисов Е.С. Исследование методов измерений малых флуктуационных сигналов / Е.С. Денисов, Ю.К. Евдокимов // Информационные технологии в науке, образовании и производстве: Материалы всероссийской научной конференции.

(Казань, 30-31 мая 2007 г.). – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007 – С. 319320.

24. Денисов Е.С. Двухканальное измерение спектральной плотности мощности шумового сигнала / Е.С. Денисов // XIV Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция: Материалы конференции (Казань, 10-11 ноября 2006 г.). – Том V. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2006. – С. 46-48.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ. л. 1,0. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,Тираж 100. Заказ А79.

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К.Маркса,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.