CC BY
68Водородное топливо
т\\\\\\\\\\\\\\\\\у
Энергоустановки на основе топливных элементов с твердым полимерным электролитом
I
С.И. Козлов, доктор технических наук,
В.Н. Фатеев, зам. директора Центра физико-химических технологий НИЦ «Курчатовский институт», профессор, д.х.н
В этой статье продолжено описание топливных элементов с твердым полимерным электролитом. Рассмотрены сферы применения ТЭТПЭ, к числу которых относятся транспорт (автомобильный, железнодорожный, водный), системы резервного (аварийное) энергообеспечения, автономного теплоэлектроснабжения зданий и сооружений, военная и погрузочная техника, зарядные устройства и т.д.
__Ключевые слова:
топливные элементы, твердый полимерный электролит,
энергоустановка, транспорт.
П
ринципиальная схема энергоустановки на основе топливного элемента с твердым полимерным электролитом (ТЭТПЭ), работающего на чистом водороде, показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема энергоустановки на основе ТЭТПЭ
К основным ее компонентам относятся: батарея топливных элементов (БТЭ); система сбора конденсата и увлажнения реагентов, включающая резервуар (Е); система термостатирования (охлаждение); система безопасности (баллон с азотом для обеспечения продувок системы перед заполнением водородом).
При использовании природного газа или другого органического топлива (например, метанола) энергоустановка будет включать в себя конвертор, реактор сдвига и систему очистки от СО.
В настоящее время разработаны и изготавливаются ТЭТПЭ различной мощности (до 500 кВт) и для многих областей применения. Стоимость батареи ТЭТПЭ составляет около 50 % стоимости всей установки. Современные ЭУ мощностью в несколько кВт стоят более 3000 долл. США за 1 кВт мощности. Однако существенное (примерно в 2 раза) снижение цены возможно уже в ближайшем будущем при увеличении объемов производства установок.
С учетом относительно низких рабочих температур и соответственно быстрого пуска и останова ТЭТПЭ, а также высокой маневренности по производительности (возможность работы при плотностях тока от нуля до 1 А/см2) наиболее перспективными областями применения ТЭТПЭ следует считать следующие: транспорт, установки для резервного (аварийное) энергообеспечения и децентрализованной энергетики на основе возобновляемых источников энергии, а также портативные зарядные устройства.
В 2006 г. было запущено в эксплуатацию около 100 новых автомобилей, автобусов, мотоциклов и т.д. на ТЭТПЭ. В конце 2007 г. в мире эксплуатировалось около 900 таких транспортных средств. На автомобилях и автобусах устанавливают практически только ТЭТПЭ. В 2005 г. был изготовлен всего один автомобиль с фосфорнокислым топливным элементом. В России созданы два автомобиля на ЩТЭ.
Департамент энергетики США планирует снизить стоимость до 30 долл. за 1 кВт мощности к 2020 г. Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт будет стоить 3000 долл. США, что сопоставимо с ценой двигателя внутреннего сгорания. Определенный прогресс достигнут и в области «холодного» пуска. В настоящее время ТЭТПЭ уже могут запускаться при температуре -30 °С [1].
Одним из безусловных лидеров в производстве ТЭ для транспорта является компания Ballard [2]. ТЭТПЭ производства этой компании используют DaimlerChrysler, Ford, Honda, Nissan и др. На рис. 2 представлен автомобиль NECAR-5 (Mercedes-Benz A Class), разработанный корпорацией DaimlerChrysler. В автомобиле использовался ТЭТПЭ Ballard Mark 900, топливом служил метанол с использованием риформера. Мощность топливных элементов составляла 75 кВт, достигнутая скорость -150 км/ч [3].
Рис. 2. Автомобиль NECAR-5 на топливных элементах компании Ballard
На автобусах Citaro (рис. 3) установлены топливные элементы компании Ballard суммарной мощностью более 200 кВт. Максимальная вместимость водорода в баллонах, расположенных на крыше, - 44 кг (1,89 тыс. л), степень чистоты водорода - 99,999 %, максимальное давление в водородных баллонах
Рис. 3. Автобус Citaro, разработанный корпорацией DaimlerChrysler, на топливных элементах компании Ballard
- 35 МПа. Салон автобуса Citaro рассчитан на 70 мест, запас хода на одной заправке в городском цикле эксплуатации составляет 200.. .250 км. Максимальная скорость - до 80 км/ч, длина - 12 м, масса - 15 т [4].
В настоящее время активно ведет разработки для транспорта Китай, который в весьма сжатые сроки добился существенных успехов. Компания Shang-hai-Shen Li представила городской автобус на топливных элементах мощностью 100 кВт. На борту размещены 9 водородных баков, вмещающих 990 л водорода. Пробег без дозаправки составляет более 300 км, максимальная скорость более 85 км/ч, разгон (0.50 км/ч) менее 21 с. Автобус имеет габаритные размеры 1148x249,6x360 см, масса 16,5 т, число перевозимых пассажиров 55. Уровень шума составляет меньше 80 дБ [5].
Разработаны также легковые автомобили (рис. 4) с двигателем максимальной мощности 60 кВт (масса батареи
ТЭ 224 кг, габариты 1000x950x130 мм). В качестве топлива используется газообразный водород, который хранится в сжатом состоянии в 9 баллонах или в виде гидридов. Уровень шума менее 60 дБ [5].
Туристические машины, созданные компанией Shanghai-Shen Li, имеют энергоустановку мощностью 10 кВт, масса батареи составляет 120 кг. В качестве топлива используется сжатый газообразный водород в баллонах. Уровень шума менее 60 дБ [5].
Разработки автомобилей на ТЭТПЭ представляют также большой интерес для армии, так как такая техника характеризуется низким уровнем шума (особенно при остановке) и отсутствием детектируемых выбросов. На рис. 5 показан джип Aggressor [6], разработанный калифорнийской компанией Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide совместно с Центром исследований и разработок в области
Рис. 4. Легковой автомобиль Volkswagen на топливных элементах;
справа - показано расположение силовой установки (под полом автомобиля)
Рис. 5. Джип Aggressor на топливных элементах
танко- и автомобилестроения. Aggressor имеет батарею ТЭТПЭ мощностью 10 кВт и аккумулятор, обеспечивающий увеличение мощности до 60 кВт. Максимальная скорость - 120 км/ч, разгон до 60 км/ч производится за 4 с. В качестве топлива используется сжатый водород.
Железнодорожный транспорт представляет собой большой рынок для энергоустановок на водородных топливных элементах, так как около 60 % грузов по железной дороге во всем мире перевозят тепловозы.
В 2006 г. в Японии начались испытания на железных дорогах небольшого моторного вагона для пригородных линий NE-train (рис. 6). Электромоторы этого поезда питаются от двух 65-ки-ловаттных водородных топливных элементов. Водород хранится в баллонах. При торможении энергия поезда частично возвращается в аккумуляторные батареи, позволяя дольше двигаться на одной заправке. Максимальная скорость поезда - 100 км/ч, размеры состава - 20,0x2,8x4,052 м. Поезд NE-train является проектом компании East Japan Railway [7].
В США разрабатывается прототип локомотива fuelcell-hybrid switcher (рис. 7) массой 127 т с водородным топливным элементом мощностью 250 кВт (с возможностью установки ТЭ на 1 МВт). Локомотив создается для военных и коммерческих целей [8].
В Дании водородный поезд курсирует между городами по маршруту,
протяженность которого составляет 59 км и ограничена вместимостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Project [9]. И в Японии также ведутся разработки водородного железнодорожного транспорта компаниями Hitachi и Kinki Sharyo.
Следует отметить, что для железнодорожного транспорта массогабаритные характеристики ТЭ и быстрый запуск не являются столь значимыми, как для автотранспорта, и конкуренцию ТЭТПЭ могут составить другие типы топливных элементов.
В Институте транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создан водородный прототип гибрида трамвая и автобуса (рис. 8). AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который
Рис. 6. Новый японский состав NE-train на водородных топливных элементах
'**оци»Г'
50
Рис. 7. Прототип локомотива fuelcell-hybrid switcher; справа - схема хранения водорода на борту локомотива
заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Длина прототипа 18 м, но планируется создание 56-метровых вагонов, вмещающих 300 пассажиров. Топливный элемент изготовлен канадской фирмой Ballard Power Systems, маховик - CCM Nuenen. 10 кг водорода хранятся в баллонах на крыше. Скорость прототипа - 60 км/ч [10].
В Европе создана некоммерческая Ассоциация водорода и топливных элементов на морском транспорте (Marine Hydrogen & Fuel Cell Association - MHFCA). В ассоциацию вошли 120 организаций. Наряду с разработкой морского транспорта на ТЭТПЭ большое внимание уделяется разработке кодов, стандартов и правил использования водородных технологий в морских приложениях [11].
В Германии производятся подводные лодки класса U-212 (рис. 9а) с твердопо-лимерными топливными элементами производства Siemens AG мощностью 34 и 120 кВт. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на ТЭТПЭ и практически бесшумна [12].
Испанская судостроительная компания Navantia S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 (рис. 9б) с силовыми установками на ТЭТПЭ мощностью 300 кВт. Водород предполагается производить на борту из этанола. Поставщик топливных
элементов - компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов и увеличить время нахождения под водой [13].
Исландия ведет работы по переводу на водородные ТЭ (и в первую очередь ТЭТПЭ) всего рыболовного флота.
Речные суда с ТЭТПЭ очень перспективны для городского водного транспорта и особенно для заповедных районов, национальных парков и т.п. Как и на железнодорожном транспорте, ТЭТПЭ на водном транспорте не имеют ярко выраженных преимуществ. Например, Европейский консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [14] разработал для этих целей установку на расплавкарбонатных топливных элементах мощностью 330 кВт.
Рис. 8. Водородный прототип гибрида трамвая и автобуса AutoTram
а б
Рис. 9. Подводные лодки:
а - класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG; б - класса S-80 компании Navantia с силовыми установками на ТЭТПЭ
Использование водородных топливных элементов актуально и на вспомогательном транспорте, эксплуатируемом на ограниченных пространствах (склады, аэродромы, производственные объекты, военные базы, поля для гольфа и т.д.). Наиболее активно водородные топливные элементы устанавливаются на складские вилочные погрузчики (рис. 10) [15].
ТЭТПЭ предполагается устанавливать на велосипеды, мотоциклы, скутеры и др.
Относительно новым направлением является применение ТЭТПЭ в авиации. Так, в рамках европейского проекта
New Configured Aircraft (CELINA) компания Airbus разрабатывает конструкцию самолета A330-300, где 40...60 % электроэнергии будут вырабатывать ТЭТПЭ [15].
Как уже отмечалось, одним из перспективных и наиболее близких к коммерциализации типов энергоустановок являются установки для резервного (аварийное) энергообеспечения. Компания APC анонсировала выпуск InfraStruXure с интегрированными твер-дополимерными водородными топливными элементами [16]. Использованы модульные ТЭ с твердым полимерным
Рис. 10. Складские погрузчики на водородных топливных элементах
Рис. 11. Установки резервного энергообеспечения Н2-ЕСОпошу на основе твердополимерных ТЭ мощностью 1.. .5 кВт
электролитом, которые можно соединять с другими параллельно для наращивания мощности (до 30 кВт). Время автономной работы определяется запасом водорода в резервной емкости. Расчетный ресурс до 10 лет или 5000 включений/выключений.
Резервная автономная энергоустановка НИК «НЭП-1» электрической мощностью 1,0 кВт [17] предназначена для коммунальных нужд, а именно -для обеспечения электроэнергией и теплом жилых зданий, а также в качестве аварийного и резервного источника питания. Топливо - водород, который хранится в композитных баллонах под давлением до 45 МПа.
Отметим, что значимость энергоустановок на твердополимерных топливных элементах настолько велика, что даже в тех странах, где только недавно начаты работы в области топливных элементов, системам резервного энергообеспечения уделяется особое внимание. Примером может служить Армянская компания
Н2-ЕСОпошу, разработавшая установки резервного энергообеспечения на основе твердополимерных топливных элементов мощностью 1.5 кВт (рис. 11) [18].
Следует отметить, что вопросы обеспечения таких установок водородом (автономное хранение больших объемов водорода) могут создать существенные проблемы на их пути к рынку. Эффективным решением таких проблем может стать комбинированное питание этих энергоустановок: чистый водород на стадии экстренного пуска и водород, полученный конверсией метанола или природного газа, для обеспечения длительной работы. Экспериментальная установка мощностью 100 Вт на основе высокотемпературного (до 200 °С) твердополимерного ТЭ с конвертором метанола (разработка Института катализа РАН) была успешно продемонстрирована на Ганноверской ярмарке в 2007 г. [19]. В табл. 1 приведены ее параметры.
Таблица 1
Параметр ElectroGen Хй
Выходная мощность, кВт 3.5
Масса батареи, кг 209
Масса установки, кг 680
Емкость топливного бака, л 220
Масса топливного бака, кг 193
Исходное топливо Метанол 62 % / дист. вода 38 %
Расход топлива, л/ч 4,5
Время выхода на рабочий режим, с 90
Уровень шума, дБ 65
Габаритные размеры, мм 1473x889x2134
Рабочая температура, °С от -40 до 50
Относительна влажность, % 0.95
а б
Рис. 12. Зарядное устройство компаний Protonex (а) и Voller energy (б)
Существенный интерес также представляют портативные ТЭТПЭ, использующие водород в качестве топлива, и в первую очередь зарядные устройства для портативной оргтехники. На рис. 12а представлено зарядное устройство компании Protonex, мощностью 50...200 Вт, напряжение на выходе 20... 30 В, номинальная продолжительность работы на одной заправке топливом 6.12 ч. Работает при температуре окружающей среды от -10 до 50 °С. Масса топливной системы - 2,0 кг (из них 1,3 кг - масса топливного картриджа). Топливом является водород, получаемый из борогидрида натрия [20].
На рис. 12б представлено зарядное устройство компании Voller energy, мощностью 70 Вт, напряжение на выходе 13,8 В. Рабочая температура от 5 до 40 °С. Масса топливной системы 8 кг, размеры 178x448x410 мм. Топливом является водород чистотой 99,99 % (концентрация СО max 5 ppm) или гидридные соединения при давлении 1,6 МПа [21].
Применение ТЭТПЭ для децентрализованного энергообеспечения стационарных объектов развивается не столь интенсивно, однако системы с ТЭТПЭ, работающие на продуктах конверсии природного газа, успешно прошли натурные испытания.
Примером возможного использования ТЭТПЭ для энергообеспечения зданий и помещений может служить топливный элемент SU-1 с конвертором
природного газа производства компании Plug Power Corporation (рис. 13) [22, 23]. Его мощность составляет 5 кВт, рабочее напряжение 120/240 В, 60 Гц переменного тока. Топливный элемент установлен параллельно основной системе электроснабжения здания и работает при номинальной мощности 2,5 кВт. ТЭ снабжен счетчиком электроэнергии и газовым счетчиком, что позволяет оценить его эффективность. Топливный элемент предназначен только для электроснабжения здания, тепловая энергия не используется. Основные характеристики топливного элемента приведены в табл. 2.
Рис. 13. Размещение топливного элемента SU-1
^Cou»^
Водородное топливо
m\\\\\\\\\\\\\\\\\v
Таблица 2
Параметр Значение
Установочная электрическая мощность, кВт 5,0; 2,5; 4,0
Вырабатываемая электрическая энергия 120/240 В, 60 Гц
Потребляемое топливо Природный газ
Выбросы, ррт NOx<5, SOx<1
Уровень шума, дБ(А) Меньше 70
Исследования показали, что стоимость 1 кВт-ч произведенной электроэнергии без учета затрат на обслуживание и амортизацию оборудования составляет 0,0766 долл. США за 1 кВт-ч (2002 г.) [23].
Следует отметить, что для децентрализованного энергообеспечения на основе возобновляемых источников энергии, где энергия аккумулируется
в виде водорода, ТЭТПЭ также считаются наиболее перспективными [24, 25].
Таким образом, ТЭТПЭ прошли успешные испытания практически во всех возможных сферах использования топливных элементов и, пожалуй, лишь в случае систем, комбинированных с конверторами топлива, они не выявили преимуществ перед другими, более высокотемпературными, ТЭ.
_ Литература
1. www.nedstack.com
2. http://www.ballard.com
3. Ballard Powers DaimlerChryslers Fuel Cell Vehicle on a 3,000 Mile Drive Across the United States // News Release. - June 4, 2002.
4. Одноместный автомобиль и автобус Citaro на топливных элементах // Автомобилестроение за рубежом. - 2003. - № 5. - С. 3.
5. www.sl-power.com
6. www.qtww.com
7. www.jreast.co.jp
8. www.fuelcellpropulsion.org
9. www.lemvigbanen.dk
10. www.ivi.fraunhofer.de
11. www.mhfca.org
12. www.industry.siemens.com
13. www.navantia.es
14. www.shipgaz.com
15. Fuel Cell - HFP Brussels 17/18 March 2005 - EEV - Ref. PR0501855 - Issue1
16. www.apc.com
17. www.nic-nep.ru
18. www.h2economy.com
19. www.idatech.com
20. www.protonex.com
21. www.voller-energy.com
22. www.plugpower.com
23. Ft. Bragg PEM Fuel Cell Demonstration Program LOGAN Energy Corporation Initial Project Description September 5, 2002.
24. Бродач М.М., Шилкин Н.В. Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий // АВОК. - 2004. - № 2. - С. 52-62.
25. Михайлов А., Сайданов В., Ландграф И. Энергетические установки на базе топливных элементов. Перспективы применения // Новости Электротехники. - 2008. - №3 (51) .
