Разработка системы ТЭЦ на основе топливных элементов с протонообменной мембраной для бытового использования
Ключевые слова:
микрокомбинированная система, тепловая энергия, электроэнергия, протонообменная мембрана, использование топлива, ИТ, ПЭМАннотация
Выполнен анализ микрокогенерационной системы или микрокомбинированной системы производства теплоты и электроэнергии (μCHP) для бытового использования на основе топливного элемента с протонообменной мембраной (ПЭМ) с самой высокой эффективностью преобразования энергии. Принимаются во внимание подробный системный анализ батареи топливных элементов, работающей при максимальной температуре окружающей среды 40°C, и баланс электроэнергии. Секция переработки водородного газа и система рекуперации тепла также были спроектированы и оптимизированы с точки зрения рекуперации тепла. Микрокогенерационная система была смоделирована и настроена на основе экспериментальных данных, полученных во время эксплуатации жилого здания с точки зрения балансов массы и энергии, в то время как карты эффективности были получены для различного использования топлива и плотности тока в батарее от ANSIS. Максимальный достигнутый электрический КПД составляет около 48%, при напряжении батареи 1,23 В и использовании топлива (ИТ) 60%, что позволяет достичь до 2% энергии водорода, полученной от водородных топливных элементов на основе этой конструкции, и покрыть электрические и тепловые нагрузки дома.
Библиографические ссылки
Библиографический список
1. Pezeshki Z., Younas M., Rezakazemi M. Market Prospects of Membrane Contactors // Membrane Contactor Technology: Water Treatment, Food Processing, Gas Separation, and Carbon Capture; Eds. M. Rezakazemi, M. Younas. – Hoboken (New Jersey, U.S): John Wiley and Sons, 2021. P. 305-336. DOI: 10.1002/9783527831036.ch10.
2. Improving energy and environmental efficiency of combined heat-and power plant based on absorption heat transformers / Yu.V. Yavorovsky, A.I. Bartenev, I.A. Sultanguzin, et al. // E3S Web Conf. – 2020. – Vol. 178. – P. 01010. DOI: 10.1051/e3sconf/202017801010
3. Pezeshki Z., Rezakazemi M., Pezeshki A. Microbes: Applications for Power Generation // Application of Microbes in Environmental and Microbial Biotechnology. – Singapore: Springer, 2022. – P. 263-322.
4. Белехова Н.А. Исследование и анализ системы производства, хранения и использования водорода для сезонного аккумулирования энергии в энергоэффективном доме: Магистерская диссертация – М.: ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ". – 106 с.
5. Pezeshki Z., Kettab A. Desalination Battery // Sustainable Materials and Systems for Water Desalination; Eds. Inamuddin and A. Khan. – Cham (Switzerland): Springer, 2021 – P. 137-162. DOI: 10.1007/978-3-030-72873-1_9.
6. Wishart J., Dong Z., Secanell M. Optimization of a PEM fuel cell system based on empirical data and a generalized electrochemical semi-empirical model // Journal of Power Sources. – 2006. – Vol. 161(2). – P. 1041-1055. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.05.056.
7. Parameter characterization of PEM fuel cell mathematical models using an orthogonal learning-based GOOSE algorithm / P. Manoharan, S. Ravichandran, S. Kavitha, et al. // Scientific Reports. – 2024. – Vol. 14(1). P. 20979. DOI: 10.1038/s41598-024-71223-7.
8. Marangio F., Santarelli M., Calì M. (2009). Theoretical model and experimental analysis of a high pressure PEM water electrolyser for hydrogen production. International journal of hydrogen energy, 34(3), 1143-1158. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.11.083
9. Concept of a high pressure PEM electrolyser prototype / F. Marangio, M. Pagani, M. Santarelli, M. Calì // International Journal of Hydrogen Energy. – 2011. – Vol. 36(13). P. 7807-7815. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.01.091
10. Design space for PEM electrolysis for cost-effective H2 production using grid electricity / D.H. Chung, E.J. Graham, B.A. Paren, et al. // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2004. – Vol. 63(16). – P. 7258-7270. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c00123
11. A dynamic model for a stand-alone PEM fuel cell power plant for residential applications / M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam // Journal of Power Sources. 2024. – Vol. 138(1-2). – P. 199-204. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.06.037
12. Mert S.O., Dincer I., Ozcelik Z. (2012). Performance investigation of a transportation PEM fuel cell system // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37(1). – P. 623-633. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.09.021
13. Asiaban S., Bozalakov D., Vandevelde L. Development of a dynamic mathematical model of PEM electrolyser for integration into large-scale power systems // Energy Conversion and Management: X. – 2024. – Vol. 23. P. 100610. DOI: 10.1016/j.ecmx.2024.100610.
14. Prospects of Hydrogen Application as a Fuel for Large-Scale Compressed-Air Energy Storages / I.K. Iliev, A.V. Fedyukhin, D.V. Semin et al. // Energies. – 2024. – Vol. 17(2). – P. 518. DOI: 10.3390/en17020518.
15. High performance, reliable and durable 5KW water-cooled hydrogen fuel reactor [Сайт]. Ningbo (China): CHIVET (Ningbo Vet Energy Technology Co., Ltd). URL: https://china-vet.com/high-performance-reliable-and-durable-5kw-water-cooled-hydrogen-fuel-reactor.html (дата обращения 16.11.2024 г.).
16. Pezeshki Z. Classification, modeling, and requirements for separators in rechargeable batteries //Rechargeable Batteries: History, Progress, and Applications; R. Boddula, Inamuddin et al. eds. – Beverly: Wiley, 2020. – P. 265-314. DOI: 10.1002/9781119714774.ch13.
17. Rechargeable Batteries: History, Progress, and Applications / Eds. R. Boddula, Inamuddin, R. Pothu, A.M. Asiri. – Beverly: Wiley, 2020. – 254 p.
18. Электрохимические технологии для автомобилей на водородном топливе / А.А. Филимонова, А.А. Чичиров, Н.Д. Чичирова, Р.И. Разакова // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – № 23(2). – С. 104-115. EDN: AZKNEE. DOI: 10.30724/1998-9903-2021-23-2-104-115
19. Нормы технологического проектирования производства водорода методом электролиза воды (НТП 24-94) / В.С. Залеткин, С.С. Хазова, М.А. Дауз и др. – М.: Роскомпищепром, 1994. – 37 с.
20. Polymers and Their Composites for Water-Splitting Applications / Z. Pezeshki, Z. Heidari, M. Rezakazemi, M. Younas // Polymers in Energy Conversion and Storage; eds. Inamuddin, M. I. Ahamed et al. – Straive: CRC Press, 2022. – P. 317-336.
Referenses
1. Pezeshki, Z., Younas, M., & Rezakazemi M. (2022) Market Prospects of Membrane Contactors. In (M. Rezakazemi, M. Younas Eds.) Membrane Contactor Technology: Water Treatment, Food Processing, Gas Separation, and Carbon Capture (pp. 305-336). John Wiley and Sons. http://dx.doi.org/10.1002/9783527831036.ch10.
2. Yavorovsky, Yu. V., Bartenev, A. I., Sultanguzin, I. A., Alimgazin, A. Sh., Prishchepova, S. A. & Kalyakin I. D. (2020) Improving energy and environmental efficiency of combined heat-and power plant based on absorption heat transformers. E3S Web Conf, 178, 01010. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017801010
3. Pezeshki, Z., Rezakazemi, M., & Pezeshki, A. (2022). Microbes: Applications for Power Generation. In Application of Microbes in Environmental and Microbial Biotechnology (pp. 263-322). Springer.
4. Belekhova, N.A. (2024). Issledovanie i analiz sistemy proizvodstva, khraneniia i ispolzovaniia vodoroda dlia sezonnogo akkumulirovaniia energii v energoeffektivnom dome [Research and analysis of hydrogen production, storage and utilisation system for seasonal energy storage in an energy efficient house] [Master's thesis, MPEI]. MPEI. [In Russian]
5. Pezeshki, Z., & Kettab A. (2021). Desalination Battery. In (Inamuddin and A. Khan, Eds.) Sustainable Materials and Systems for Water Desalination (pp. 137-162). Springer. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-72873-1_9
6. Wishart, J., Dong, Z., & Secanell M. (2006). Optimization of a PEM fuel cell system based on empirical data and a generalized electrochemical semi-empirical model. Journal of Power Sources, 161(2) , 1041-1055. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.05.056
7. Manoharan, P., Ravichandran, S., Kavitha, S., Hashim, T. J. T., Alsoud, A. R., & Sin T. C. (2024). Parameter characterization of PEM fuel cell mathematical models using an orthogonal learning-based GOOSE algorithm. Scientific Reports, 14(1) , 20979. https://doi.org/10.1038/s41598-024-71223-7
8. Marangio, F., Santarelli, M., & Calì M. (2009). Theoretical model and experimental analysis of a high pressure PEM water electrolyser for hydrogen production. International journal of hydrogen energy, 34(3) , 1143-1158. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.11.083
9. Marangio, F., Pagani, M., Santarelli, M., & Calì M. (2011). Concept of a high pressure PEM electrolyser prototype. International Journal of Hydrogen Energy, 36(13) , 7807-7815. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.01.091
10. Chung, D.H., Graham, E. J., Paren B. A., Schofield, L., Shao-Horn, Y., & Mallapragada D. S. (2004). Design space for PEM electrolysis for cost-effective H2 production using grid electricity. Industrial & Engineering Chemistry Research, 63(16) , 7258-7270. http://dx.doi.org/10.1021/acs.iecr.4c00123
11. El-Sharkh, M.Y., Rahman, A., Alam, M. S., Byrne, P. C., Sakla, A. A., & Thomas T. (2024). A dynamic model for a stand-alone PEM fuel cell power plant for residential applications. Journal of Power Sources, 138(1-2) , 199-204. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.06.037
12. Mert, S. O., Dincer, I., & Ozcelik, Z. (2012). Performance investigation of a transportation PEM fuel cell system. International Journal of Hydrogen Energy, 37(1) , 623-633. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.09.021
13. Asiaban, S., Bozalakov, D., & Vandevelde, L. (2024). Development of a dynamic mathematical model of PEM electrolyser for integration into large-scale power systems. Energy Conversion and Management: X, 23, 100610. http://dx.doi.org/10.1016/j.ecmx.2024.100610.
14. Iliev, I. K., Fedyukhin, A. V., Semin, D. V., Valeeva, Y. S., Dronov, S. A., & Beloev, I. H. (2024). Prospects of Hydrogen Application as a Fuel for Large-Scale Compressed-Air Energy Storages. Energies, 17(2) , 518. https://doi.org/10.3390/en17020518.
15. Ningbo Vet Energy Technology Co., Ltd (n.d.). High performance, reliable and durable 5KW water-cooled hydrogen fuel reactor. CHIVET. Retrieved November 16, 2024 from: https://china-vet.com/high-performance-reliable-and-durable-5kw-water-cooled-hydrogen-fuel-reactor.html.
16. Pezeshki, Z. (2020). Classification, modeling, and requirements for separators in rechargeable batteries. In (R. Boddula, Inamuddin et al. eds.) Rechargeable Batteries: History, Progress, and Applications (pp. 265-314). Wiley. https://doi.org/10.1002/9781119714774.ch13.
17. Boddula, R., Inamuddin, Pothu, R., & Asiri A. M. (Eds.). (2020) Rechargeable Batteries: History, Progress, and Applications. John Wiley & Sons.
18. Filimonova, A. A., Chichirov, A. A., Chichirova, N. D., & Razakova, R.I. (2021). Electrochemical technologies for hydrogen powered vehicles. Power engineering: research, equipment, technology, 23(2) , 104-115. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-2-104-115
19. Zaletkin, V. S., Khazova, S. S., Dauz, M. A., Gezha, A. N., Razina, Iu. B., Tsvetkov, Iu. V., Pavlov, G. I., Meshcheriakova, V. I., Onuprienko, I. I., & Volkova E. M. (1994). Normy` texnologicheskogo proektirovaniya proizvodstva vodoroda metodom e`lektroliza vody` (NTP 24-94) [Norms for technological design of hydrogen production by water electrolysis (NTP 24-94) ]. Roskompishheprom. [In Russian]
20. Pezeshki, Z., Heidari, Z., Rezakazemi, M., & Younas M. (2022). Polymers and Their Composites for Water-Splitting Applications. In (Inamuddin, M. I. Ahamed et al. eds.) Polymers in Energy Conversion and Storage (pp. 317-336). CRC Press.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
URN
Лицензия
Copyright (c) 2024 Пезешки З., Султангузин И.А., Вересоцкая А.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
