Исследование влияния направленных газодинамических колебаний на работу топливного элемента судовой энергетической установки

В статье представлен комплексный анализ существующих активных и пассивных методов управления водным балансом в топливных элементах. Целью исследования является экспериментальная оценка влияния направленных газодинамических колебаний звукового диапазона на эффективность работы единичного топливного элемента, а также разработка рекомендаций по совершенствованию таких систем для судовых энергетических установок. Описана конфигурация разработанного лабораторного стенда с целью проведения испытаний в условиях протекания электрохимической реакции (in-situ) на опытном образце элемента активной площадью 25 см2 с внешним газодинамическим генератором. Установлено, что газодинамическое воздействие на основной гармонике с частотой 1,68 кГц обеспечивает прирост плотности мощности исследуемого элемента более 25 % за счет интенсификации процессов массопереноса и эффективного удаления избыточной влаги. Экспериментально подтверждена перспективность интеграции систем газодинамического контроля в конструкцию судовых энергетических установок на базе топливных элементов. Отличительной особенностью данного исследования от аналогичных работ является реализация in-situ испытаний с использованием внешнего газодинамического генератора звукового диапазона. Впервые для отечественной научной литературы экспериментально обоснован резонансный механизм газодинамического воздействия на газовые реагенты и мембранно-электродный блок, а также доказана возможность значительного прироста выходной мощности топливного элемента предложенным методом. Актуальность проведенного исследования обусловлена необходимостью декарбонизации водного транспорта в соответствии с требованиями Международной морской организации, а также отсутствием в России систем активного газодинамического управления водным балансом для судовых энергетических установок на топливных элементах. Полученные результаты могут быть использованы для разработки адаптивных систем влагоудаления, работающих в реальных условиях эксплуатации.

1. Zhaka V. Hydrogen as fuel in the maritime sector: From production to propulsion / V. Zhaka, B. Samuelsson // Energy Reports. — 2024. — Vol. 12. — Pp. 5249–5267. DOI: 10.1016/j.egyr.2024.11.005.

2. Jayabal R. Hydrogen energy storage in maritime operations: A pathway to decarbonization and sustainability / R. Jayabal // International Journal of Hydrogen Energy. — 2025. — Vol. 109. — Pp. 1133–1144. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.02.207.

3. Коняев Д. В. Судовая Энергетическая установка для «водородных» танкеров с установкой повторного сжижения / Д. В. Коняев // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 1. — С. 93–108. EDN ZOBONJ. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-1-93-108.

4. Розов И. В. Обзор зарубежных стратегий по водородной энергетике и возможности их адаптации на водном транспорте в Российской Федерации / И. В. Розов, О. В. Спиренкова, С. В. Титов [и др.] // Транспортное дело России. — 2026. — № 1. — С. 155–162. — EDN BMAKJG.

5. Sustainable Maritime Decarbonization: A Review of Hydrogen and Ammonia as Future Clean Marine Energies / C. Jin, JH. Choi, C. Lee, MH. Kim // Sustainability. — 2025. — Vol. 17. — Is. 24. DOI: 10.3390/su172411364.

6. Energy efficiency improvements by investigating the water flooding management on proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) / O. S. Ijaodola, Z. El-Hassan, E. Ogungbemi, F. N. Khatib, T. Wilberforce, J. Thompson, A. G. Olabi // Energy. — 2019. — Vol. 179. — Pp. 246–267. DOI: 10.1016/j.energy.2019.04.074.

7. Kim J. Y. Improving polymer electrolyte membrane fuel cell performance and preventing flooding by exciting gas flow / J. Y. Kim, M. Mortazavi, S. Y. Jung // Journal of Power Sources. — 2024. — Vol. 617. — Pp. 235181. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2024.235181.

8. Partial flooding and its effect on the performance of a proton exchange membrane fuel cell / J. Shen, L. Xu, H. Chang, Z. Tu, S. H. Chan // Energy Conversion and Management. — 2020. — Vol. 207. — Pp. 112537. DOI: 10.1016/j.enconman.2020.112537.

9. Park M. J. Ion transport in sulfonated polymers / M. J. Park, S. Y. Kim // Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. — 2013. — Vol. 51. — Is. 7. — Pp. 481–493. DOI: 10.1002/polb.23257.

10. Observation of flooding-induced performance enhancement in PEMFCs / H. Choi, J. Kim, O. Kwon, H. Yoo, H. Kim, H. Cha, T. Park // International Journal of Hydrogen Energy. — 2022. — Vol. 47. — Is. 9. — Pp. 6259–6268. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.11.234.

11. Bazylak A. Dynamic water transport and droplet emergence in PEMFC gas diffusion layers / A. Bazylak, D. Sinton, N. Djilali // Journal of Power Sources. — 2008. — Vol. 176. — Is. 1. — Pp. 240–246. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.10.066.

12. Mortazavi M. Role of Droplet Dynamics on Contact Line Depinning in Shearing Gas Flow / M. Mortazavi, S. Y. Jung // Langmuir. — 2023. — Vol. 39. — Is. 30. — Pp. 10301–10311. — DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00065.

13. Ous T. Visualisation of water accumulation in the flow channels of PEMFC under various operating conditions / T. Ous, C. Arcoumanis // Journal of Power Sources. — 2009. — Vol. 187. — Is. 1. — Pp. 182–189. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.072.

14. Kim J. Y. Performance recovery of irreversibly degraded gas diffusion layers in polymer electrolyte membrane fuel cell / J. Y. Kim, S. Y. Jung // Energy Conversion and Management. — 2025. — Vol. 342. — Pp. 120175. DOI: 10.1016/j.enconman.2025.120175.

15. Influence of cathode flow pulsation on performance of proton-exchange membrane fuel cell / Y. H. Kim, H. S. Han, S. Y. Kim, G. H. Rhee // Journal of Power Sources. — 2008. — Vol. 185. — Is. 1. — Pp. 112–117. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.06.069.

16. Recent advances in acoustic diagnostics for electrochemical power systems / J. O. Majasan, J. B. Robinson, R. E. Owen, M. Maier, A. N. P. Radhakrishnan, M. Pham, T. G. Tranter, Y. Zhang, P. R. Shearing, D. J. L. Brett // Journal of Physics: Energy. — 2021. — Vol. 3. — Is. 3. — Pp. 032011. DOI: 10.1088/2515-7655/abfb4a.

17. Palan V. Removal of excess product water in a PEM fuel cell stack by vibrational and acoustical methods / V. Palan, W. S. Shepard, K. A. Williams // Journal of Power Sources. — 2006. — Vol. 161. — Is. 2. — Pp. 1116–1125. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.06.021.

18. Enhanced Water Removal from PEM Fuel Cells Using Acoustic Pressure Waves / M. Mortazavi, A. D. Santamaria, J. Z. Benner, V. Chauhan // Journal of The Electrochemical Society. — 2019. — Vol. 166. — Is. 7. — Pp. F3143. DOI: 10.1149/2.0211907jes.

19. Розов И. В. Микроволокнистые газодиффузионные слои для топливных элементов судовых энергетических установок / И. В. Розов, С. А. Лопатин, Д. В. Баранов [и др.] // Речной транспорт (XXI век). — 2025. — № 1(113). — С. 34–37. EDN TOJNQQ.