Флуктуационно-шумовая диагностика и контроль водородного топливного элемента с протонообменной мембраной

• Автор: Денисов, Евгений Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 227 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Водородные топливные элементы и вопросы их диагностики

1.1. Водородные топливные элементы: принципы работы, типы топливных, области применения

1.1.1. Типы топливных элементов

1.2. Конструкция и принцип работы топливного элемента с протонообменной мембраной

1.2.1. Принцип работы ТЭ с протонообменной мембраной

1.2.2. Конструкция ТЭ с протонообменной мембраной

1.3. Основные виды отказов, возникающих в процессе эксплуатации водородного топливного элемента

1.4. Методы технической диагностики топливных элементов

1.4.1. Метод поляризационной кривой
1.4.2. Метод прерывания тока
1.4.3. Диагностика по частотным характеристикам импеданса ТЭ
1.4.4. Метод диагностики по скачку давления
1.4.5. Нейтронная радиография
1.4.6. СКВИД-магнитометрия
1.4.7. Сравнение методов технической диагностики топливных элементов
1.5. Шумовая диагностика электрических и электрохимических систем
1.5.1. Виды электрических шумов
1.5.2. Шумовая диагностика пассивных электронных компонентов
1.5.3. Шумовая диагностика полупроводниковых диодных структур
1.5.4. Шумовая диагностика биполярных транзисторов
1.5.5. Шумовая диагностика полевых транзисторов
1.5.6. Шумовая диагностика интегральных микросхем
1.5.7. Шумовая диагностика электрохимических систем

1.5.8. Особенности шумовых методов диагностики Постановка цели и задач исследования Глава 2. Разработка метода флуктуационно-шумовой диагностики водородного топливного элемента
2.1. Поляризационная кривая ТЭ: понятие и особенности измерения
2.2. Импедансная характеристика ТЭ: понятие и особенности измерения
2.3. Методы и алгоритмы измерения статистических характеристик электрических шумов и флуктуаций водородного топливного элемента
2.3.1. Алгоритмы оценки корреляционной функции
2.3.2. Алгоритмы оценки спектральных характеристик случайных сигналов
2.3.3. Спектральный анализ измерительных сигналов в присутствии паразитных шумов
2.4. Теоретическое исследование потенциальных диагностических свойств водородного топливного элемента
2.4.1. Оценка диагностических свойств электрических флуктуаций, обусловленных нестабильностью параметров компонентов водородного топливного элемента
2.4.2. Спектр флуктуаций электрического тока в водородном топливном элементе, обусловленный процессами испарения и конденсации воды на поверхности мембранно-электродного узла ТЭ
2.4.3. Метод флуктуационно-шумовой диагностики водородного
топливного элемента
2.5. Электрическая и флуктуационно-шумовая модель водородного топливного элемента
2.5.1. Нелинейная электрическая модель водородного топливного элемента
2.5.2. Линейная электрическая модель ТЭ
2.5.3. Экспериментальная проверка адекватности модели топливного элемента

2.5.4. Флуктуационно-шумовая модель водородного топливного элемента
2.6. Выводы
Г лава 3. Экспериментальное исследование флуктуационных и импедансных характеристик водородных топливных элементов
3.1. Цели и задачи экспериментального исследования диагностических свойств электрических шумов и флуктуаций водородного топливного элемента
3.2. Разработка экспериментальной установки для исследования электрических флуктуаций водородного ТЭ
3.2.1. Объект исследования - топливный элемент и его конструкция
3.2.2. Экспериментальная установка для измерения импедансных и флуктуационно-шумовых характеристик водородного топливного элемента
3.3. План проведения экспериментальных исследований
3.4. Особенности задания электрического режима работы водородного топливного элемента
3.5. Электрические флуктуации водородного топливного элемента
3.6. Выбор режима работы топливного элемента для исследования флутуационных и шумовых характеристик топливного элемента
3.7. Особенности флуктуаций электрического напряжения топливного элемента в «оптимальном» режиме работы
3.8. Электрические флуктуации топливного элемента при различных режимах работы
3.6.1. Зависимость микрофлуктуации водородного топливного
элемента от положения рабочей точки
3.6.2. Зависимость флуктуационных и импедансных характеристик водородного топливного элемента от температуры ячейки
3.6.3. Зависимость флуктуационных и импедансных характеристик водородного топливного элемента от влажности подводимых газов

протонообменной мембраны и избыточное увлажнения мембранно-электродного узла ТЭ.
1.4.7. Сравнение методов технической диагностики топливных элементов
Все рассмотренные методы технической диагностики ТЭ приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.
Сравнение методов технической диагностики топливных элементов
Метод диагностики Что позволяет диагностировать Преимущество Недостатки Требования к режиму работы ТЭ
Метод поляризацио иной кривой Текущее состояние мемранно-электродного узла ТЭ, активационные, концентрационные и омические потери потенциала ТЭ 1. Высокая информативность; 2. Простота получения измерительной информации; 3. Простота интерпретации результатов измерения. 1. Плохая воспроизводимость результатов измерений; 2. Вывод ТЭ из рабочего режима; 3. Длительное время получения измерительной информации Вывод ТЭ из стационарного режима работы
Метод прерывания тока Омические потери (электрическое сопротивление) ТЭ 1. Позволяет оценивать электрическое сопротивление мембраны ТЭ; 2. Простота получения и интерпретации измерительной информации. 1. Возмущение режима работы ТЭ; 2. Необходимость обеспечить коммутацию токов большой величины. Кратковреме иное возмущение режима работы ТЭ
Метод диагностики по частотным характе- ристикам импеданса Омические потери, ограничение массопереноса, качество протее-кания электрохимической реакции, емкость двойного слоя 1. Высокая информативность; 2. Слабое возмущение режима работы ТЭ. 1. Сложность интерпретации измерительной информации; 2. Сложная измерительная аппаратура. Слабое возмущение режима работы ТЭ
Метод диагностики по скачку давления в газотранспортных каналах Образование воды в газотранспортных каналах ТЭ 1. Отсутствие возмущения режима работы ТЭ; 2. Позволяет выявлять затопление газотранспортных каналов и МЭУ. 1. Необходимость в дополнительной измерительной аппаратуре; 2. Низкая информативность. Отсутствие возмущения режима работы
Нейтронная радиография Образование жидкой воды в мембранноэлектродном узле и газотранспортных каналах ТЭ 1. Отсутствие возмущение режима работы ТЭ; 1. Сложная измерительная аппаратура; 2. Значительное удорожание экспериментальной установки.
СКВИД- магнито- метрия Избыточное увлажнение МЭУ, загрязнение мембраны 1. Отсутствие возмущение режима работы ТЭ; 1. Сложная измерительная аппаратура; 2. Значительное удорожание экспериментальной установки. Отсутствие возмущения режима работы