alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.01-03.057-069alternative-1265Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYСТЕНД «ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»STAND “HYDROGEN ENERGY”БарабановЕ. Е.BarabanovE. E.

студент, специалист в области электроники

Student, an Expert in electronics at InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruГалицкаяЕ. А.GalitskayaE. A.

младший научный сотрудник, аспирант ИФТТ РАН, ведущий специалист ООО «ИнЭнерджи»

Ph.D. student, Junior Researcher at ISSP RAS, Leading Specialist of InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruДобровольскийЮ. А.Dobrovol’skyYu. D.

д-р хим. наук, профессор, заведующий лабораторией «Ионика твердого тела» ИПХФ РАН, директор по науке в ООО «ИнЭнерджи»

D.Sc. in Chemistry, Professor, Head of Solid State Ionics Laboratory at ICPC RAS, Director of Research InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruКашинА. М.KashinA. M.

генеральный директор АО ГК «ИнЭнерджи»

CEO of InEnergy Group.

sinitsyn@inenergy.ruКрыловА. А.KrylovA. A.

сотрудник отдела исследований и разработок в ООО «ИнЭнерджи»

staff member of the Research and Development Department at InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruЭрькинИ. Ю.ErkinI. Yu.

магистрант НИЯУ МИФИ, специалист отдела исследований и разработок ООО «ИнЭнерджи»

M.Sc. Student of Moscow Engineering Physics Institute, Specialist of R&D departament at InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruКукушкинА. В.CookushkinA. V.

руководитель инженерной группы отдела исследований и разработок в ООО «ИнЭнерджи»

Head of engineer support team of the R&D Dept. at InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruЛарькинА. В.LarkinA. V.

руководитель направления образовательных технологий ГК «ИнЭнерджи».

Head of Educational Solutions, GC InEnergy

sinitsyn@inenergy.ruСивакА. В.SivakA. V.

руководитель отдела исследований и разработок ООО «ИнЭнерджи»

Head of R&D department at InEnergy LLC

sinitsyn@inenergy.ruСиницынВ. В.SinitsynV. V.

д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник ИФТТ РАН и ИПХФ РАН

D.Sc. in Physics and Mathematics, Leading Researcher, ISSP RAS and IPCP RAS

sinitsyn@inenergy.ruООО «ИнЭнерджи»РоссияInEnergy LLCRussian FederationООО «ИнЭнерджи»; Институт проблем химической физики РАНРоссияInEnergy LLC; Institute of Problems of Chemical Physics RASRussian FederationИнститут проблем химической физики РАНРоссияInstitute of Problems of Chemical Physics RASRussian FederationООО «ИнЭнерджи»РоссияInEnergy LLC.Russian Federation20181203201801-35769Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1265

Разработан специализированный стенд для проведения практических работ по курсу водородной энергетики, состоящий из водородно-воздушного топливного элемента, электронной системы управления, платы контроля функциональных параметров и источника водорода на основе металлогидридного баллона. В качестве топливного элемента в данном стенде использовался 40-ваттный стек, состоящий из 22 мембранно- электродных блоков. Исследованы вольт-амперные характеристики стека, показано, что для эффективной работы топливного элемента при рабочей нагрузке 3 А необходимы потоки водорода более 0,7 л/мин. Изучено распределение температуры внешней поверхности стека при разной силе тока и установлено, что максимальная температура не превышает 45 ºС в режиме рабочей нагрузки стенда. Дано подробное описание разработанной станции водородной заправки металлогидридных баллонов с различными формфакторами и объемами от 50 мл до 15 л. Соединительные элементы станции выдерживают перепады давления от 0,1 Па (~10-3 мм.рт.ст) до 1,5 МПа (15 атм). В качестве источника водорода в данном стенде использовались гидриды сплавов La0,9Се0,1Ni5 и La0,8Се0,2Ni5. Исследования Р–С зависимостей циклов «абсорбция – десорбция» водорода для этих сплавов были проведены при температуре 25 ºС и 45 ºС. Детально описана процедура заправки водородом металлогидридных баллонов. Данный стенд позволяет в реальном времени измерять и стабилизировать температуру топливного элемента по двум термодатчикам с краю и в центре топливного элемента; контролировать температуру металлогидридного баллона; измерять напряжение и ток на топливном элементе; измерять ток через подключенную внешнюю нагрузку, независимо от внутренней электронной нагрузки стенда; измерять расход водорода. Данный стенд может применяться как для демонстрации работы альтернативных источников энергии, так и для обучения и тренинга персонала, работающего в области энергетики.

 

We have developed the stand for the practical hydrogen power engineering course. This stand consists of hydrogen-air fuel cell, electronic system control, control of functional parameters and hydrogen source based on metal hydride cylinder. The specially manufactured 40 W stack is used in the stand as a fuel cell consisting of 22 membraneelectrode assemblies (MEA). We have investigated the current-voltage characteristics of the stack. Hydrogen fluxes of more than 0.7 l/min are shown to be required for the efficient operation of the fuel cell used in the stand 30 W under a current load of 3 A. We have studied the distribution of the temperature of the stack outer surface at different load currents, and establish that the maximum temperature does not exceed 45 ºC at the operating working load used in the stand. The paper describes the station hydrogen refueling metal hydride cylinders in detail. The station allows one to refuel metal-hydride cylinders with different form factors and volumes from 50 ml to 15 l. The connecting elements of the station withstand pressure drops from 0.1 Pa up to 1.5 MPa. The hydrides of La0.9Се0.1Ni5 and La0.8Се0.2Ni5 alloys are used as a source of hydrogen. We have studied the P–C dependences cycles of hydrogen absorption and desorption for La0.9Ce0.1Ni5 and La0.8Ce0.2Ni5 alloys utilizing in metal hydride cylinders at temperatures of 25 ºC and 45 ºC. The paper gives a description of hydrogen filling procedure of these cylinders in detail. The developed stand allows one in real time to measure and stabilize the temperature of the fuel cell for two sensors with the edge and in the center of the fuel cell; to control the temperature of the metal hydride cylinder; to measure voltage and current on the fuel cell, and current through a connected external load irrespective of the internal electronic load of the stand; to measure the hydrogen flow. This stand can be applied to demonstrate the work of alternative energy sources, as well as for the training of personnel working in the field of energy.

 

водородная энергетикатопливный элементметаллогидридные источники водородакривые сорбции- десорбцииравновесное давление водородавольт-амперные характеристикимощность топливного элементастенд по водородной энергетикеhydrogen energyfuel cellmetal hydride alloysP-C curves of hydrogen absorption-desorptionequilibrium hydrogen pressurecurrent-voltage characteristicsthe power of the fuel cellstand on hydrogen energyReferencesAltork, L.N. Hydrogen fuel cells: part of the solution [Text] / L.N. Altork, J. R. Busby // Technology & Engineering Teacher. − 2010. – Vol. 70. – No 2. – P. 22–27.Altork L.N., Busby J.R. Hydrogen fuel cells: part of the solution Technology & Engineering Teacher, 2010;70(2):22–27.Dutta, S. A review on production, storage of hydrogen and its utilization as an energy resource [Text] / S. Dutta // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. − 2014. − Vol. 20. − No 4. – P. 1148–1156.Dutta, S. A review on production, storage of hydrogen and its utilization as an energy resource. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2014;20(4):1148–1156.Valente, A. Life cycle assessment of hydrogen energy systems: a review of methodological choices [Text] / A. Valente, D. Iribarren, J. Dufour // The International Journal of Life Cycle Assessment. – 2017. − Vol. 22. − No 3. − P. 346–363.Valente A., Iribarren D., Dufour J. Life cycle assessment of hydrogen energy systems: a review of methodological choices. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2017;22(3):346–363.Breault, R.W. Gasification Processes Old and New: A Basic Review of the Major Technologies [Text] / R.W. Breault // Energies. – 2010. – Vol .3. – P. 216–240.Breault R.W. Gasification Processes Old and New: A Basic Review of the Major Technologies. Energies, 2010;3:216–240.Мошникова, В.А. Основы водородной энергетики [Текст] / В.А. Мошникова, Е.И. Терукова. – СПб.: Изд-во SPbGETU “ЛЕТИ”, 2010. – 288 с.Moshnikova V.A., Terukova E.I. Osnovy vodorodnoi energetiki / V.A. Moshnikova. SPb.: Izd-vo SPbGETU “Leti” Publ., 2010 (in Russ.).Zalbowitz, M. Fuel cells – Green Power [Text] / M. Zalbowitz , S. Thomas. – Los Alamos National Laboratory. – 1999. − P. 24.Zalbowitz M., Thomas S. Fuel cells- Green Power. Los Alamos National Laboratory, 1999, p. 24.Milne, T.A. Hydrogen from biomass [Text] / T.A. Milne, C.C. Elam, R.J. Evans. – A report for international Energy Agency. Agreement on the Production and Utilization of Hydrogen. − 2002. − P. 78.Milne T.A., Elam C.C., Evans R.J. Hydrogen from biomass. A report for international Energy Agency. Agreement on the Production and Utilization of Hydrogen, 2002, p. 78.El-Salamony, R.A. Catalytic Dry Reforming of Natural Gas for Synthesis Gas Production over Ru/γ-Al2O3 Catalyst [Text] / S. A. Ghoneim [et al.] // ADRRI Journal of Engineering and Technology. − 2014. – Vol. 1. – No 1. − P. 1–16.El-Salamony R.A., Ghoneim S.A., El-Naggar A.Y., El-Tamtamy S.A., El-Morsi A.K. Catalytic Dry Reforming of Natural Gas for Synthesis Gas Production over Ru/γ-Al2O3 Catalyst. ADRRI Journal of Engineering and Technology, 2014;1(1):1–16.Iulianelli, A. Advances on methane steam reforming to produce hydrogen through membrane reactors technology [Text] / A. Iulianelli [et al.] // Catalysis Reviews. – 2016. − Vol. 58. − P. 1–35.Iulianelli A., Liguori S., Wilcox J., Basile A. Advances on methane steam reforming to produce hydrogen through membrane reactors technology. Catalysis Reviews, 2016;58:1–35.Neiva, L.S. A study on the characteristics of the reforming of methane [Text] / L.S. Neiva, L. Gama // Brazilian Journal of Petroleum and Gas. − 2010. – Vol. 4. − No 3. − P. 119–127.Neiva L.S., Gama L. A study on the characteristics of the reforming of methane. Brazilian Journal of Petroleum and Gas. 2010;4(3):119–127.Bhatt, Sh. Polymer Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell [Text] / Sh. Bhatt [et al.] // International Journal of Current Engineering and Technology. − 2012. − Vol. 2. – No 1. − P. 219–226.Bhatt Sh., Gupta B., Sethi V. K., Pandey M. Polymer Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell. International Journal of Current Engineering and Technology, 2012;2(1):219–226.Chenga, X. A review of PEM hydrogen fuel cell contamination: Impacts, mechanisms, and mitigation [Text] / X. Chenga [et al.] // Journal of Power Sources. − 2007. − Vol. 165. −No 2. − P. 739–756.Chenga X., Shi Zh., Glass N., Zhang L., Zhang J., Song D., Zhong-Sheng L., Wang H., Shen J. A review of PEM hydrogen fuel cell contamination: Impacts, mechanisms, and mitigation. Journal of Power Sources, 2007;165(2):739–756.Kraytserg, A. Review of Advanced Materials for Proton Exchange Membrane Fuel Cells [Text] / A. Kraytserg [et al.] // Energy & Fuels. − 2014. − Vol. 28. – No 12. – P. 7303–7330.Kraytserg A., Ein-Eli Y. Review of Advanced Materials for Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Energy & Fuels, 2014;28(12):7303–7330.Amamou, A. A Comprehensive Review of Solutions and Strategies for Cold Start of Automotive Proton Exchange Membrane Fuel Cells [Text] / A. Amamou [et al.] // IEEE Access. − 2016. – Vol. 4. − P. 4989–5002.Amamou A.A., Boulon L., Kelouwani S., Agbossou K. Comprehensive Review of Solutions and Strategies for Cold Start of Automotive Proton Exchange Membrane Fuel Cells. IEEE Access, 2016;4:4989–5002.Barbir, F. PEM Fuel Cells / F. Barbir. − ed. by Nigel Sammes. − London : Springer London, 2006.Barbir F. PEM Fuel Cells, ed. by Nigel Sammes, Springer London, 2006: 27–51.Mehta, V. Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing [Text] / V. Mehta, J.S. Cooper // Journal of Power Sources. − 2003. – Vol. 114. – P. 32–53.Mehta V., Cooper J. S. Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing. Journal of Power Sources, 2003;114:32–53.Litster, S. PEM fuel cell electrodes [Text] / S. Litster, G. McLean // Journal of Power Sources. − 2004. − Vol. 130. − P. 61–76.Litster S., McLean G. PEM fuel cell electrodes. Journal of Power Sources, 2004;130:61–76.O’Hayre, R. The air/platinum/Nafion triple-phase boundary: Characteristics, scaling, and implications for fuel cells [Text] / R. O’Hayre, F.B. Prinz // J. Electrochem. Soc. – 2004. – Vol. 151. – P. A756–A762.O’Hayre R., Prinz F.B. The air/platinum/Nafion triple-phase boundary: Characteristics, scaling, and implications for fuel cells. J. Electrochem. Soc. 2004;151:A756–A762.Wu, H.W. A Review of Recent Development: Transport and performance modeling of PEM fuel cells [Text] / H. W. Wu // Applied Energy. – 2016. – Vol. 165. – P. 81–106.Wu H.W. A Review of Recent Development: Transport and performance modeling of PEM fuel cells. Applied Energy, 2016;165:81–106.Berg, P. Reaction Kinetics at the Triple-Phase Boundary in PEM Fuel Cells [Text] / P. Berg [et al.] // Journal of Fuel Cell Science and Technology. – 2008. – Vol. 5. – No 2. – P. 021007–0210017.Berg P., Volkov O., Novruzi A. Reaction Kinetics at the Triple-Phase Boundary in PEM Fuel Cells. Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2008;5(2):021007–0210017.Connolly D.J., Gresham W.F. US Patent 3,282,875 // DuPont Co., 1966.Connolly D.J., Gresham W.F. / US Patent 3,282,875 // DuPont Co, 1966.Singhal, S.C. High Temperature and Solid Oxide Fuel Cells [Text] / S.C. Singhal, K. Kendal. – Am-sterdam: Elsevier Science, 2003. – P. 406.Singhal S., Kendal K., C. High Temperature and Solid Oxide Fuel Cells, 1ts edition, Amsterdam: Elsevier Science, 2003, p. 406.Павлов, В.И. Деградация Pt/C электрокатали-заторов с различной морфологией в низкотемпературных топливных элементах с полимерной мембраной [Текст] / В.И. Павлов [и др.] // Российские нано-технологии. – 2016. – Т. 11. – № 11–12. – С. 43–49.Pavlov V.I., Gerasimova E.V., Zolotukhina E.V., Don G.M., Dobrovol'skii Yu.A., Yaroslavtsev A.B., Degradacija Pt/C electrocatalysts with different morphologies in low-temperature fuel cells with a polymer membrane (Pt/C jelektrokatalizatorov s razlichnoj morfologiej v nizkotemperaturnyh toplivnyh jelementah s polimernoj membranoj). Rossiiskie nanotekhnologii, 2016;11(11–12):43–49 (in Russ.)Pavlov, V.I. Pt/C electrocatalyst degradation in pem fuel cells [Text] / V.I. Pavlov [et al.] // International conference "Ion transport in organic and inorganic membranes". Krasnodar 2016, 23–28 May. – P. 217–218.Pavlov V., Gerasimova E., Zolotukhina E., Don G., Dobrovolsky Y., Yaroslavtsev A. Pt/C electrocatalyst degradation in PEM fuel cells. International conference “Ion transport in organic and inorganic membranes”, Krasnodar 2016:217–218.Kisi, E.H. A neutron diffraction investigation of the LaNi5D phase diagram [Text] / E.H. Kisi [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 1994. – Vol. 216. – P.123–129.Kisi E.H., Mac E., Gray A., Kennedy S.J. A neutron diffraction investigation of the LaNi5D phase diagram. Journal of Alloys and Compounds, 1994;216:123–129.Kisi, E. H. The hydrogen activation of LaNi5 [Text] / E. H. Kisi [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 1992. – Vol. 185. – P. 369–384.Kisi E.H., Buckley C.E., Gray E.M. The hydrogen activation of LaNi5. Journal of Alloys and Compounds, 1992;185:369–384.Manchester, F. D. Mechanisms for Activation of Intermetallic Hydrogen Absorbers [Text] / F.D. Man-chester, D. Khatamian // Mater. Sci. Forum. – 1988. – Vol. 31. – P. 261–296.Manchester F.D., Khatamian D. Mechanisms for Activation of Intermetallic Hydrogen Absorbers. Mater. Sci. Forum, 1988;31:261–296.Lototskyy, M.V. Metal hydride hydrogen compressors [Text] / M.V. Lototskyy [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – Vol. 39. – P. 5818–5851.Lototskyy M.V., Yartys V.A., Pollet B.G., Bowman R.C. Metal hydride hydrogen compressors, International Journal of Hydrogen Energy, 2014;39:5818–5851.Можжухин, С.А. Металлогидридный термо-сорбционный компрессор водовода высокого давления [Текст] / С.А. Можжухин [др.] // Сборник тезисов V Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». – 2014. – P. 248–251.Mozhzhukhin S.A., Bocharnikov M.S., Tarasov B.P. Thermosorption metal hydride hydrogen compressor of high pressure (Metallogidridnyi termosorbtsionnyi kompressor vodoroda vysokogo davleniya). Sbornik tezisov v Mezhdunarodnoi konferentsii «Funktsional'nye nanomaterialy i vysokochistye veshchestva», 2014: 248–251 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.