Повышение надежности транспортных электрохимических генераторов при использовании суперконденсаторов

Начиналось все с открытия М. Фарадеем законов электролиза в 1834 году. Он первым провел серию опытов, связанных с прохождением электрического тока через различные электролиты (растворы солей, раствор серной кислоты и другие) и, по существу, создал первый гальванический элемент. Первый же водородно-кислородный топливный элемент (ТЭ) (вернее, его действующая модель) был собран в 1839 году британским судьей Уильямом Гроувом, который свободное время отдавал изобретательству. Исследуя разложение воды на водород и кислород, он обнаружил побочный эффект — электролизер вырабатывал электрический ток.

Химические реакции в ТЭ идут на специальных пористых электродах (аноде и катоде), активированных металлами платиновой группы, где химическая энергия, запасенная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. Водород окисляется на аноде, а кислород (или воздух) восстанавливается на катоде.

Катализатор на аноде ускоряет окисление водородных молекул в водородные ионы (Н+) и электроны. Водородные ионы (протоны) через мембрану мигрируют к катоду, где катализатор катода вызывает образование воды из комбинации протонов, электронов и кислорода. Поток электронов через внешний кругооборот производит электрический ток, который используется различными потребителями.

Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).

Электрический ТОК.

О, (Кислород) из виздуш.

Топливо Н2 (Ведорад).

Т"им (84″ 0.

Иодлеоа НЛП кмдушныЯ радм*1"р>

Воздух +• ьиданоа rup.

Рециркулади топлива.

Камера.

Гаэдц"ффуашиниЯ злепрвд (Катод) Ка rauiH untip.

Камер".

ГазадиффушонныЯ алеирод (Аиад) Кагал imwp.

ПротшкюСмйШМ мембрана.

Схема твердополимерного (протонообменного) топливного элемента.

Гоплню анод".

T=8tJt.

Т-80*С (PEFC) Т=20СГС (PAFC).

Т=650'С.

T=]QQ0t.

Окислитель (В01Д\) анода.

Анод Электролит Катод.

Электрохимические реакции в различных типах ТЭ.

Существуют различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения.

Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора.

Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ.

Щелочной ТЭ (AFC) Электролит состоит из жидкого КОН, который циркулирует в пространстве между электродами. Они использовались с середины 1960;х годов в космических программах, обеспечивая питанием электрические системы космических кораблей «Буран», «Шаттл» и др. Коммерческое применение их ограничено, т.к. они должны работать с чистыми водородом и кислородом (либо с кислородом воздуха, из которого удален углекислый газ). Щелочные ТЭ имеют КПД до 70%.

ТЭ на протонообмен ной мембране (PEMFC) В качестве электролита используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка), которая проводит водородные ионы (протоны) с анода на катод. Они обеспечивают высокую плотность тока, что позволяет уменьшать их вес, стоимость, объем и улучшать качество работы. Неподвижный твердый электролит упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию, и обеспечивает более долгий срок службы ТЭ. Эти ТЭ работают при низких температурах (ниже 100°С), что ускоряет запуск и реакцию на изменения потребности в электричестве. Они идеально подходят для транспорта и стационарных установок небольшого размера.

ТЭ на фосфорной кислоте (PAFC) Электролитом является бумажная матрица, насыщаемая фосфорной кислотой, также проводящей протоны. Это наиболее разработанные коммерчески развитые ТЭ. Они применяются в стационарных электрогенераторных устройствах в зданиях, гостиницах, больницах, аэропортах и электростанциях. ТЭ на фосфорной кислоте вырабатывают электричество с КПД более 40% или около 85%, если пар, который производит этот ТЭ, используется для совместного производства тепла и электричества (в сравнении с 30% КПД наиболее эффективного двигателя внутреннего сгорания).

ТЭ на расплаве карбоната (MCFC) Использует расплавленную смесь лития/калия (или лития/натрия) для проведения ионов карбоната от катода к аноду. Рабочая температураприблизительно 650 °C, что позволяет использовать топливо напрямую, без какой-либо дополнительной его подготовки, и никель в качестве катализатора. Их конструкция более сложна, чем конструкция ТЭ на фосфорной кислоте, из-за их более высокой рабочей температуры и использования расплава электролита. Им требуется существенное количество времени для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, и поэтому лучше всего они подходят для условий, где необходима постоянная подача больших количеств электроэнергии. Наибольшее количество подобных установок построено в США и Японии. В США имеется демонстрационная опытная электростанция мощностью 1.8 МВт.

ТЭ на твердых оксидах (SOFC) В качестве электролита используется твердый керамический материал (стабилизированная иттрием окись циркония), которая проводит атомы кислорода от катода к аноду при чрезвычайно высокой температуресвыше 1000 °C. Это позволяет им использовать относительно загрязненные виды топлива, например, получаемые при газификации угля. Энергетический КПД — около 60%. Их относительно простая конструкция (обусловленная использованием твердого электролита и самых разных видов топлива) в сочетании с существенным количеством времени, необходимым для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, делает их подходящими для больших и очень больших стационарных электрогенераторных установок и электростанций.

Химическая энергия топлива и окислителя.

Камера сгорания или топка .

Теплота.

Турбина или двигатель.

Механическая энергия.

Топливный элемент.

Электрический генератор

Движитель.

Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами.

Электромобили с ТЭ и аккумуляторной батареей (АБ) (последние отличаются самыми низкими из всех энергосредств потерями энергии на борту машины) имеют равные энергозатраты на 100 км пробега. Если же учитывать еще и потери при производстве и передаче электроэнергии, то окажется, что ТЭ экономичнее более чем в 2 раза. Это объясняется очень высоким КПД ТЭ — 70 — 80% при работе на частичной нагрузке и 40 — 50% при максимальной.

Сравнительные характеристики результатов преобразований энергии [1−3].

Автомобили с ДВС (Евро-3) с ЭХГ.

Топливо Бензин Водород.

СО 2,3 0.

Выбросы СН 0.

0,2 токсичных.

NOx 0,15 0 компонентов,.

С02 213,0 0 г/км.

Н20 98,0 117,0.

Для того, чтобы разобраться какие узлы присутствуют в автомобиле, взглянем на рентгеновою схему автомобиля Лада Антел-2. В основу ЭХГ разработки РКК «Энергия» им. С. П. Королева положены энергоблоки на основе топливных элементов щелочного типа (AFC), разработанные УЭХК (г. Новоуральск) для космоса и отличающиеся высокой экономичностью и хорошими массогабаритными характеристиками.

Водородные баллоны.

Буферная батарея.

Электродвигатель.

Блок питания.

Водородио-воздушный f электрохимический генератор Л.

Система управления электроприводом.

Система управления источниками питания.

Система очистки воздуха.

Воздушный компрессор-экспандер

Автомобиль Лада Антел-2 2003 год.

Принцип функционирования энергоустановки.

Установка работает следующим образом, водород, который хранится в баллонах, подается совместно с воздухом, предварительно очищенным от углекислого газа. В состав энергоустановки входит разработанная никель-металлгидридная буферная аккумуляторная батарея, которая, работая совместно с ЭХГ в движении, повышает динамические показатели при разгоне автомобиля. При торможении происходит заряд батареи за счет регенерации энергии (по принципу гибридного автомобиля). Кроме того, энергия батареи используется для разогрева и запуска ЭХГ.

Автомобиль за исключением ЭХГ имеет довольно современные узлы, такие как: тяговый асинхронный электродвигатель мощностью 90 кВт при массе 32 кг, а также система хранения водорода в специальных легких баллонах емкостью 90 л, заправка которых обеспечивает пробег автомобилю до 350 км. При этом новая компоновка силовой части не уменьшает полезный объем автомобиля. Примечательно, что разработчики за 2 года сделали большой шаг вперед по сравнению с предшественником Лада Антэл выполненном на базе BA3−2131 «Нива».

Микроавтобус РАФе ЭХГ 1982 г.

Следует заметить, что до начала 90-х гг. Россия была одним из лидеров в области энергоустановок на базе ТЭ (электромобили, авиакосмическая, подводная и наземная спецтехника). В 1982 г. на московской международной выставке демонстрировался микроавтобус на базе РАФ с энергоустановкой на основе воздушно-водородных ТЭ с жидким проточным электролитом, с баллонной системой хранения и буферной серебряно-цинковой АБ, разработанный в ВНИИ Источников тока НПО «Квант».

Karl Kordesch, одним из первых, переоборудовал четырехместный автомобиль массой 900 кг, заменив ДВС и некоторые другие устройства, на систему ЭХГ (AFC) мощностью 6 кВт — батарея из 7 свинцовых аккумуляторов напряжением 84 В и общей массой 150 кг. Система хранения водорода обеспечивала энергией 33 кВт ч.

Первый гибридный автомобиль с ЭХГ и АБ 1970 г (Источник: Apollo Energy Systems, Icelandic New Energy) н. 1995 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 ЕЗ Автобусы ¦ Другие? Автомобили.

Количество транспортных средств с ЭХГ [2].

С момента первого появления автомобиля с ЭХГ в 1959 году до сегодняшнего дня в мире насчитывается 780 транспортных средств на их основе. Сюда входят все транспортные средства, начиная от велосипедов и мотоциклов и заканчивая подводными лодками и судами. В это количество также входят около 200 энергетических установок, используемых Соединенными Штатами и Россией в космических проектах, но их количество не представлено в диаграмме.

Теперь о том, что говорят о ЭХГ люди, непосредственно связанные с выполнением работ по их коммерциализации.

Технология топливных элементов станет в XXI веке краеугольным камнем для производства электроэнергии" - Ф. Расул, президент энергетической компании Ballard (Канада).

Топливные элементы, вырабатывающие электричество через управляемые реакции, вызывают по сравнению с традиционными ДВС минимальные загрязнения" - Юрген Шремп, в прошлом один из руководителей Daimler-Benz (ныне DaimlerChrysler).

Я уверен, что топливные элементы станут причиной окончательного завершения столетнего господства двигателей внутренного сгорания" Вильям К. Форд, президент компании Ford.

Когда руководители компаний делают категоричные заявления по чисто техническим проблемам, это означает, что они используют свой авторитет, чтобы убедить общественность и, конечно, акционеров в обоснованности огромных инвестиций в инновационные проекты. В США и Западной Европе создание электромобиля с энергоустановкой на основе ТЭ в части финансирования вышло из рисковой стадии, и одновременно с поисковыми опытно-конструкторскими работами ведется масштабная подготовка производства.

Мировой рынок ТЭ, млн. USD [3].

1995 2000 2005% ежегодный рост 2000/1995% ежегодный рост 2005/2000.

Мировой рынок ТЭ 1205 2440 8500 15,2 28,4.

США 355 720 2500 15,2 28,3.

Канада и Мексика 45 150 575 27,2 30,8.

Западная Европа 310 600 2300 14,1 30,8.

Япония 360 675 1950 13,4 23,6.

Остальная Азия и Тихий океан 75 195 750 21,1 30,9.

Остальной мир 60 100 425 10,8 33,6.

Автобусы с ЭХГ разработанные в Китае. Ожидается производство около 100 шт. для перевозки во время Олимпийских игр 2008 года. (Источник: Dalian Institute of Chemical PhysicsTsinghua University).

В настоящее время наиболее подходящими для использования в автомобилях являются ТЭ на протонообменной мембране (PEMFC) и наибольших успехов в разработке и производстве PEMFC достигли компании DuPont de Nemours и Dow Chemical Co, США и Ballard Power Systems, Канада.

Слева: лаборатория Японской Газовой Ассоциации (JGA). JGA координирует основной проект в Японии по разработке стационарного ЭХГ. Справа: 5 кВт ЭХГ снабжающий энергией McDonald’s в Long Island, USA. (Источник:

JGA, LIPA).

MCFC ЭХГ начинают реализоваться после нескольких лет инвестиций. Слева: 300 кВт ЭХГ на биогазе построенный Japan’s Ishikawajima-Harima Heavy Industries. Справа: 250 кВт установка, построенная компанией MTU в городе Essen, Germany, в павильоне, компании RWE (подразделение HDW), которая имеет долю в MTU в бизнесе по ЭХГ. (Источник: Fuel Cell Development Information Centre, MTU).

Россия и Германия обладают наибольшим опытом создания энергоустановок с электрохимическими генераторами большой мощности. К примеру, в 2003 году была представлена первая коммерческая подводная лодка с ЭХГ PEMFC фирмы Siemens мощностью 300 кВт, спроектированная компанией HDW, и было объявлено о нескольких проектах по разработке тяжелых грузовиков совместно с Cellex Power, Hydrogenics, и Proton Motor. Но, несмотря на достижения, стоимость PEMFC остается очень высокой.

Скорейшей коммерциализации ЭХГ для транспортных средств способствует и использование генераторов для нужд народного хозяйства.

Суммарная мощность эксплуатируемых стационарных систем на ТЭ, кВт.

3].

Тип США Япония Европа Общее количество %.

PEMFC 450 250 670 1370 5.

PAFC 13 200 10 000 1000 24 200 75.

MCFC 1250 1060 2860 5170 16.

SOFC 500 15 850 1365 4.

Общее количество 15 400 11 325 5380 32 105 100.

48 35 17 100.

Особенно массовое использование ЭХГ ожидается в мобильных устройствах, таких как ноутбуки.

Исследователи из университета Пенсильвании создали топливный элемент, который работает на доступных и недорогих углеводородах, например на метане и бутане, а не на чистом водороде. В статье, опубликованной в журнале «Nature» (в номере от 16 марта 2000 года), руководитель разработки профессор Raymond Gorte и его коллеги убедительно доказывают, что их установка способна полностью вытеснить водородные топливные элементы.

Вообще говоря, исследователи давно научились получать электроэнергию из углеводородных топливных элементов. Но это достижение оказалось в конечном счете бесполезным: выработка электроэнергии в таких элементах непременно сопровождалась образованием углеродных масс, разрушавших источник питания.

В Пенсильванском университете впервые смогли найти вещества и условия, при которых элемент не загрязняется углеродом. Лабораторные испытания показали, что химическое загрязнение отсутствует по истечении четырех дней непрерывной работы. Профессор уверен, что предельный срок значительно больше.

Проблема была успешно решена после того, как были найдены подходящие материалы, например, анод устройства был изготовлен из оригинального медного сплава — вместо традиционного циркония. В результате элемент четверо суток генерировал мощность 100 Вт при температуре реакции 700 °C. Причем, подчеркивает профессор, установка выделяла вдвое меньше тепла, нежели тепловой генератор той же мощности.

Hitachi, Casio, NEC и Toshiba разрабатывают ЭХГ для Notebooks с ожидаемой датой продаж в 2005 году. На рисунке два прототипа с ЭХГ (DMFC) разработанной NEC в 2003; баллон изображенный в центре используется для кратковременного перезаряда.

Работа исследователей финансировалась чикагским Институтом газовых исследований (Gas Research Institute), главной целью которого является обеспечение жилищ всех граждан США независимыми источниками электроэнергии — теми же топливными элементами, например.

Можно сказать, что главные силы мирового автомобилестроения пришли в движение и, невзирая на потери (т.е. затраты), в тесной координации ведут непрерывный штурм пока еще неприступных позицийконкурентоспособных альтернативных энергоустановок для электромобилей.

Складываются альянсы, в состав которых помимо автопроизводителей входят разработчики и изготовители новых компонентов, материалов, технологий. Как известно, в последние годы в мировом автомобилестроении заметно активизировались интеграционные процессы, затрагивающие самые крупные компании. Переход автомобилестроения на новую продукцию, имеющую нулевую технологическую преемственность с действующим производством, полностью изменит его структуру в части продукции, технологий, материалов, затрат труда и его содержания.

Транспорт с ЭХГ тогда и сейчас. Справа: Allis Chalmers — гольф кар 1962 года. Слева: концепт Chrysler Jeep представленный в 2003 на Tokyo Motor Show. (Источник: DaimlerChryslerEd Gillis).

Потребность в инновационных инвестициях, многократно превышающая их привычный уровень 80-х гг. вынуждает компании вступать в сотрудничество и искать партнеров среди конкурентов. В дальнейшем на нужды конверсии производства и инфраструктуры спрос на ресурсы вырастет еще в разы. Каждому активному участнику перестройки автомобильной промышленности необходимы гарантии в том, что он может рассчитывать на соответствующую часть рынка новой техники.

Можно не сомневаться в том, что на определенном этапе электрофикации дорожного транспорта «международное сообщество» запретит выпуск автомобилей под предлогом загрязнения среды. Учитывая, что топливные элементы постепенно распространяются на другие типы мобильных машин и малую энергетику, потери для российской экономики окажутся в буквальном смысле убийственными.

Российские предприятия способны производить самые дешевые и самые эффективные протонные мембраны для ТЭ. Имеются разработки нескольких типов ЭХГ.

РКК «Энергия» им. С. П. Королева имеет большой опыт создания установок для космических аппаратов. В 1992 году в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Голландии, при испытаниях данных энергоблоков, проведенных по инициативе компании DASA/Дорнье, были подтверждены высокие выходные параметры и удобство эксплуатации блоков. Установка для космического аппарата имеет номинальную мощность 300 кВт, коэффициент полезного действия не менее 70%, удельный расход кислорода при номинальной мощности — 0,336 кг/кВт ч, удельный расход водорода при номинальной мощности — 0,042 кг/кВт ч.

ОАО СКБК — одна из ведущих в России организаций, имеющая реальный опыт создания и сдачи энергоустановок с электрохимическим генераторов большой мощности. В сложившейся кооперации контрагентов ОАО СКБК готово по заданию заказчика в течение 2−4 лет (в зависимости от уровня мощности и энергоемкости) разработать, изготовить и поставить ЭХГ самого высокого класса мощностью от 10 до 600 кВт (кратковременно до 4000 кВт), энергоемкостью от 100 до 100 000 кВт ч, удельной энергоемкостью 150−200 Вт ч/кг или 200−250 Вт ч/л со всей обеспечивающей инфраструктурой (в том числе АЗС) как для морских, так и наземных объектов, которые нуждаются в высококачественной электроэнергии, когда важны высокий КПД, малые габариты оборудования, малошумность, экологическая чистота и небольшие выделения тепла.

Это немало, но к сожалению, научно-технический задел, которому в буквальном смысле нет цены (в данный промежуток времени его невозможно ни воспроизвести собственными силами, ни купить за рубежом), не получил такого широкого прикладного развития для гражданского транспорта, которое мы видим в США и Европе. Однако, в конце 2003 года крупная отечественная коммерческая компания «Норильский никель» приняла участие в финансировании работ по разработке ЭХГ через Российскую Академию Наук. Компания планирует выделять по 40 млн. USD в год на развитие рынка использования палладия, который используется в ЭХГ, и пока это единственный пример.

Общие выводы.

1. В результате теоретического и экспериментального исследования даны рекомендации по увеличению срока службы ЭХГ на 30% при использовании суперконденсаторов в разработанной системе тягового электропривода.

2. Разработаны электрические схемы подключения суперконденсатора к ЭХГ.

3. Представлен баланс потребной мощности энергоисточника. Показана возможность повышения мощности ЭХГ на 40% за счет использования суперконденсатора. Разработана методика обоснования емкости суперконденсатора.

4. Установлено, что в совместной работе ЭХГ и суперконденсатора, основная нагрузка — 70−80% в течение первых 2−5 секунд разгона ТТС падает на суперконденсатор.

5. Применение в системе тягового электропривод суперконденсатора позволит применять ЭХГ уменьшенной мощности в 1,5 — 2 раза.

6. Экономический эффект от внедрения проектных предложений серийно, составит:

— в эксплуатации 1,1 млн. USD;

— в народном хозяйстве за счет улучшения экологии 8,05 млн. USD.