Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Статьи по КИПиАРасходометрияМассовые расходомеры для испытательных стендов топливных элементов
Рынок возобновляемой энергии вырос как по объёму, так и по значимости за последние десятилетия и продолжает быстро расширяться. Хотя способов генерации энергии достаточно, востребованы более эффективные подходы. Одним из потенциальных решений являются топливные элементы.
Топливные элементы генерируют электричество посредством электрохимической реакции между топливом и окислителем. Водород является наиболее распространенным топливом, а кислород — наиболее распространенным окислителем, но могут использоваться и другие газы. Побочными продуктами этой реакции являются вода и тепло. Топливный элемент состоит из положительно заряженного анода, отрицательно заряженного катода и мембраны, обеспечивающей ионный обмен между двумя сторонами. Как анод, так и катод используют катализаторы для облегчения происходящих реакций.
Несмотря на существующие риски транспортировки водорода и кислорода, топливные элементы обеспечивают выработку энергии с крайне низким уровнем выбросов и потенциально более высокой эффективностью по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.
По мере роста потребности в чистой энергии увеличивается и необходимость в постоянных исследованиях и разработках. Лаборатории частного сектора, академической среды и государственных организаций активно работают в этом направлении. Их общая цель — максимизация выработки энергии при минимизации выбросов углерода. Основные направления исследований включают:
При поиске оптимального решения критически важным является гибкость контрольно-измерительных приборов, поскольку на испытательном стенде топливных элементов необходимо протестировать множество вариантов состава. К ним относятся катализаторы, мембраны, металлы, электролиты, покрытия и электроды. Катализаторы являются ключевой частью состава и часто выступают основной переменной в любом конкретном испытании. Все они проверяются в строго контролируемых условиях, чтобы обеспечить их работу в максимально эффективном режиме и добиться необходимой повторяемости. В конечном счёте, топливный элемент должен стабильно и надёжно обеспечивать заявленную электрическую мощность.
Для типового эксперимента с катализатором водород подаётся всегда с одной стороны, а с другой располагается тестируемый катализатор — например, воздух, воздух с азотом, воздух с углекислым газом и т. д. Для поиска оптимальной химической реакции требуется широкий диапазон скоростей потока газа.
Испытательный стенд топливных элементов играет ключевую роль в тестировании потенциальных решений. Он обеспечивает управление расходом, температурой и давлением газов анода и катода. Для обеспечения достоверных результатов испытаний каждого топливного элемента необходимо проверить испытательную установку, кондиционировать элемент, а также установить базовые условия испытаний и рабочие параметры. Точное, стабильное управление потоками газа и жидкости крайне важно для максимизации времени безотказной работы стенда.
После завершения настройки испытаний температура, давление, расходы и другие рабочие условия тщательно контролируются на протяжении всего процесса тестирования. Эта информация должна точно фиксироваться, передаваться и регистрироваться, чтобы помочь техникам и инженерам понять, как каждая переменная влияет на общую производительность топливного элемента. Цифровые протоколы связи, особенно высокоскоростные EtherNet/IP и PROFINET, позволяют преобразовывать данные в полезные знания.
Типичная установка начинается с фазы смешивания газов: водород в одном баллоне, кислород — в другом. Каждый баллон подключен к собственному клапану, который подает газ в контроллер массового расхода Brooks Instrument SLA5800. Он имеет широкий диапазон регулирования расхода газа 250:1, обрабатывая чрезвычайно низкие и очень высокие расходы, что дает операторам гибкость для легкого экспериментирования с различными реагентами с помощью одного устройства. Это также снижает совокупную стоимость владения для оператора, устраняя необходимость держать запасные устройства. Расходомер газа SLA5800 также обладает превосходной стабильностью сенсора или долговременной стабильностью нуля. Он обеспечивает сверхточный, воспроизводимый выход, что критически важно для достоверности процесса.
После смешивания газы нагреваются и увлажняются. Увлажнение контролируется кориолисовым массовым расходомером Brooks Instrument Quantim Coriolis, который регулирует поток ионизированной воды. Измерение массового расхода по принципу Кориолиса не подвержено изменениям свойств жидкости, что делает расходомер кориолисового типа наиболее точным контроллером массового расхода. Полученные пары затем подаются в батарею топливных элементов: один поток — на анод, другой — на катод.
В некоторых случаях тестируются несколько газов, таких как водород, воздух, чистый кислород, углекислый газ и азот. Благодаря возможности массового расходомера SLA5800 обеспечивать обратную связь в реальном времени и точное управление, техник может корректировать рецептуру для достижения оптимального выхода. Термомассовые расходомеры SLA5800 доступны с различными аналоговыми и цифровыми протоколами связи, включая EtherNet/IP, PROFINET, RS-485 и другие.
Испытательные стенды топливных элементов играют критическую роль в поиске оптимальной топливной смеси. Этот процесс требует точного управления потоками жидкости и высокой точности, что является основой работы массовых расходомеров.
