Твердополимерные ТЭ (Proton Exchange Membrane, PEM). Одни из самых распространенных в своём классе. Первое, что нужно отметить — источники получения электроэнергии в PEM возобновляемы (водород и кислород).
Водородно-воздушные (твердополимерные) топливные элементы рассматриваются как перспективные энергетические системы для различных применений в силу относительно высокого электрического КПД (до 60%) и отсутствия вредных выбросов.
В России и мире активно ведутся разработки и внедрения на основе низкотемпературных водород-воздушных топливных элементов с протонно-обменной мембраной типа PEMFC (температура мембраны 50-80 0С, топливо – газообразный водород). Принцип их работы заключается в процессе расщепления молекул водорода на аноде на протоны и электроны, переноса положительного заряда через протонно-обменную мембрану, в то время как свободные электроны проходят через нагрузку потребителя. Затем происходит последующее восстановление ионов водорода на катоде и их окисление кислородом. Таким образом, химическая энергия молекул водорода и кислорода (из воздуха) преобразуется в электрическую энергию (с КПД до 60%), «выхлопом» является чистый водяной пар.
Область применения низкотемпературных водород-воздушных топливных элементов:
— Телекоммуникационные системы (ретрансляторы, сотовая связь и т.п.)
— На транспортных средствах в качестве вспомогательных энергетических установок
— Портативная и мобильная электрогенерация
Твёрдооксидные топливные элементы относятся к разряду высокотемпературных элементов с рабочей температурой в диапазоне 800-1000°С. В основе ТОТЭ лежит та же самая конструкция ячейки, что и в других разновидностях топливных элементов, состоящая из анода и катода, разделённых электролитом.
В случае ТОТЭ электролит представлен твёрдой керамикой, например, оксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия. В процессе работы на катод подается кислород (в составе воздуха). Керамический электролит осуществляет трансфер ионов кислорода от катода к аноду, в то время как электроны направляются на внешний контур для производства электричества. На аноде ионы кислорода взаимодействуют с водородом, образуя воду и угарный газ (СО).
Существует две основных конструкции твёрдооксидных топливных элементов: планарная и трубчатая. Полагают, что системы ТОТЭ наилучшим образом подходят для производства электричества и тепла в промышленных приложениях, хотя они также используются в качестве вспомогательного источника энергии в некоторых видах транспортных средств. Т ОТЭ характеризуются высокими значениями эффективности, а высокие рабочие температуры позволяют напрямую осуществлять процесс внутренней переработки топлива, в частности, природного газа.
ТОТЭ целесообразно использовать в широком диапазоне мощностей в энергоустановках на углеводородном топливе. Разрабатываемые энергоустановки являются, в том числе, базовыми компонентами с возможностью формирования составных энергоустановок большой мощности. При этом КПД не меняется, т.е. малые установки столь же эффективны, как и большие. Тем самым это диверсифицирует сферу возможных применений разрабатываемых энергоустановок. Эти обстоятельства позволяют гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика.
Будущие перспективы развития систем ТОТЭ
Будущее технологии представляется многообещающим. Многие компании работают над коммерциализацией этой технологии, множество научно-исследовательских программ направлено на более глубокое изучение систем твёрдооксидных топливных элементов и создание предпосылок для будущих технологических прорывов в этой области.
В настоящее время наша компания исследует возможность использования технологии ТОТЭ в составе гибридных систем, в которых устройства на основе топливных элементов скомбинированы с газовыми турбинами для производства электроэнергии. Успешный исход откроет массу возможностей для новых приложений, которые были недоступными при использовании одной только технологии.
Целевым рынком конечного использования технологии ТОТЭ в будущем, вероятнее всего, являются стационарные устройства для выработки электроэнергии, а также ниши транспортных средств и мобильных приложений. Благодаря доступности природного газа за счет распределенной сети газоснабжения, вариант применения энергоустановки на основе ЭХГ на ТОТЭ в качестве постоянного энергоснабжения с использованием топлива из сети может получить широкое распространение, заменив, в частности, устаревшие домашние и промышленные котлы.
Библиографическое описание
Терукова, Е. Е. Высокоэффективные методы прямого нанесения каталитических слоев на протонпроводящую мембрану для формирования мембранно-электродных блоков твердополимерных топливных элементов / Е. Е. Терукова, В. А. Мошников, Д. В. Кошкина. — Текст : непосредственный // Технические науки в России и за рубежом : материалы I Междунар. науч. конф. (г. Москва, май 2011 г.). — Москва : Ваш полиграфический партнер, 2011. — С. 54-58. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/3/664/ (дата обращения: 29.11.2023).
Обычно МЭБ спрессован между двумя платами с газоподводящими каналами.
МЭБ состоит из протонповодящей мембраны, каталитических слоев и
газодиффузионных слоев (ГДС). Тонкопленочные каталитические слои
делятся на два вида по способу нанесения:
В обоих случаях сначала готовятся каталитические
чернила, основными составляющими которых являются каталитический
порошок, раствор иономера, растворитель (чаще всего изопропанол).
Наиболее распространенными методами нанесения каталитических слоев
являются методы намазывания, распыления под давлением, декалькомании.
Оптимизация каталитических слоев осуществляется за счет изменения
состава чернил, а также оптимизации методов и условий их
формирования.
В этой статье описываются два метода получения МЭБов:
электродиспергирование и распыление под давлением спиртовых растворов
платинированной черни. Оба этих метода используют прямое нанесение
каталитических чернил на протонпроводящую мембрану, таким образом,
исключается обычно используемое горячее прессование, являющееся
дополнительной операцией, а также приводящее к механическим и
термическим повреждениям мембраны и негативно влияющее на структуру
каталитических слоев.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Основной сложностью при изготовлении МЭБ ТПТЭ является необходимость
формирования трехфазных границ. Концепция трехфазных границ (ТФГ)
говорит о том, что окисление водорода и восстановление кислорода
возможно лишь в особых областях, где катализатор, иономер и углерод
находятся в контакте. Состав и компоненты каталитических чернил, а
также метод и условия нанесения каталитического слоя сильно влияют на
формирование ТФГ.
С помощью двух предложенных методов можно получить тонкий
каталитический слой с минимальной загрузкой платины, обеспечивающий
хорошую газопроницаемость, а также протонную и электронную
проводимость.
Рис. 1. Схема нанесения каталитического слоя методом распыления под
давлением.
При использовании метода распыления чернила помещались в резервуар и
под давлением, создаваемом компрессором распылялись с помощью
аэрографа на мембрану, подогретую до 80оС с помощью
электроплитки (рис. 1).
Рис.2. Схема нанесения каталитического слоя методом
электродиспергирования.
Полученные результаты и их анализ. В ходе эксперимента были
получены симметричные мембранно-электродные блоки. Состав
каталитических чернил при использовании различных методов был
одинаков. Масса нанесенных слоев контролировалась путем взвешивания
на высокоточных весах. Расчетная загрузка платины составила 0,5 — 0,6
мг/см2.
Мембраны с нанесенными анодным и катодным
каталитическими слоями испытывались в стандартных ячейках для
испытания топливных элементов (ячейка фирмы Heliocentris, марка 12E-W
MEA). В этой ячейке образец устанавливается между двумя жесткими
пластинами корпуса и работает в условиях сжатия. Водород и воздух
подаются на электроды через входные отверстия ячейки. Измерения
проводились после приведения МЭБ в стационарный режим путем
многократного циклирования по напряжениям (от напряжения холостого
хода до 200 мВ). Характеристики сняты при скорости развертки 20 мВ/с,
при комнатной температуре, при подаче сухого водорода и сухого
воздуха.
Рис. 3. Поляризационная и мощностная характеристики ТЭ с
каталитическим слоем, формируемым методом распыления под давлением
(штрих линия) и методом электродиспергирования (сплошная линия).
В работе показана эффективность применения методов
нанесения каталитических слоев непосредственно на протонпроводящую
мембрану посредством распыления под давлением и
электродиспергирования спиртовых растворов платиновых чернил.
Планируются дальнейшие работы по оптимизации данных методик, а также
по характеризации структурных особенностей получаемых каталитических
слоев.
Работа выполнена в рамках ГК № П2279 от 13 ноября 2009 г.
Основные термины (генерируются автоматически): слой, давление, каталитический слой, мембрана, метод электродиспергирования, чернила, BASF, E-TEK, MEA, схема нанесения.
Улямаев, К. С. Мембраны топливных элементов / К. С. Улямаев, М. А. Безгин, А. А. Симонова, А. В. Левин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 47 (285). — С. 16-19. — URL: https://moluch.ru/archive/285/64207/ (дата обращения: 29.11.2023).
Топливный элемент (ТЭ) — химический источник тока, в котором топливо и окислитель непрерывно и раздельно подводятся к электродам. Не стоит путать с гальваническим элементов, в котором все активные компоненты закладываются заранее и срок его работы устанавливается его реагентами. Свое начало история данного устройства берет с работ У. Р. Грува и К. Ф. Шёнбайна XIX столетия, которые в будущем послужили основой для современного топливного элемента.
В топливном элементе реагенты поступают, а продукты реакции вытекают из вне, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты. Рассмотрим щелочной ТЭ, где водород используют со стороны анодa, а кислород — со стороны катода. На аноде водород распадается и теряет электроны:
Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны:
В итоге общая реакция будет выглядеть следующим образом:
Рис. 1. Схема работы топливного элемента
Само отделение ионов от реагентов обеспечивает мембрана топливного элемента. Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной или же керамической. Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны. Так как ТЭ должен быть рассчитан на продолжительную работу, все его элементы должны быть устойчивы ко многим его составляющим. В том числе мембрана должна быть устойчива к основному продукту реакции (т. е. воде) и к побочным продуктам. Поэтому, для обеспечения хороших выходных и ресурсных характеристик ТЭ, основные требования к мембране можно представить, как:
1) отсутствие электронной проводимости;
2) высокая протонная проводимость (высокое значение См/см);
3) сопротивление механическому изменению;
4) малая проницаемость для реагентов;
5) долговременная стабильность.
Полимерные электролитические мембраны (ПЭМ) — это материалы, цель которых в разделении электродов с задачей по предотвращению как прямой химической реакции реагентов, так и прямого электрического контакта электродов, с обеспечение движения электродов от анода к катоду. Сами же полимерные мембраны существуют двух типов: на основе перфторированной сульфокислоты, которая создается химической компанией «DuPont», и углеводородной сульфокислоты.
Самыми распространенными полимерными мембранами на основе перфторированной сульфокислоты являются «Nafion» компании «DuPont», разработанные в 60-е года прошлого века. Также существует ряд аналогов, незначительно отличающихся от Нафиона химической структурой. Обычно название мембран Нафион снабжают трехзначным номером, например, «Nafion 112», где «11» — это эквивалентный вес мембраны (1100 г/моль), а «2» — толщина, заданная в милах (2 мила = 50,8 мкм). Эквивалентным весом является параметр, характеризующий концентрацию сульфогрупп в объеме полимера, то есть вес полимера, содержащий 1 моль сульфогрупп. Сами же мембраны Нафион отличаются хорошей газонепроницаемость, не подвержены механическому изменению, инертны и имеют высокую протонную проводимость (∼0,1 См/см). Но есть одна особенность, связанная с проводимостью мембраны — степень увлажнения мембраны сильно влияет на ее протонную проводимость. Перфторированные сульфокислоты имеют выраженную гидрофобность, что приводит в проблеме удержания воды и проводимости протонов. Как следствие — температурный диапазон работы ТЭ, ограниченный 80 ℃.
Также существуют мембраны на основе углеводородным полимерным сульфокислотам, которые обходятся дешевле нежели мембраны, основанные на перфторированной сульфокислоте. К достоинствам данного материала, как уже было сказано, можно отнести более дешевый синтез углеводородных полимеров и меньшею гидрофобность материала, что позволяет работать ТЭ при более высоких температурах. К недостаткам относится более низкая проницаемость мембраны по метанолу и кислороду, более плохие механические свойства. Увеличение проводимости за счет увеличения степени сульфирования приводит к потере механической стабильности углеводородных мембран в присутствии воды. При равных степенях сульфирования самоорганизующиеся проводящие каналы протонов в углеводородных мембранах менее выраженные и имеют меньшую степень перколяции.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют в качестве мембраны керамический электролит, проницаемы для ионов кислорода. Т ОТЭ не нуждается в дорогостоящих катализаторах (платина) из чего следует, что они не отравляется монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Также они имеют высокую температуру работы (до 1000℃) однако, когда рабочая температура приближается к нижнему пределу для ТОТЭ (около 600° C), электролит начинает иметь большее сопротивление ионного переноса и влияет на производительность всего устройства. Материалами электролита могут быть: диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ), церий, допированный гадолинием (GDC), диоксид циркония, стабилизированный скандием (ScSZ). Наиболее распространенным твердым электролитом является диоксид циркония, стабилизированный иттрием. Более высокая ионная проводимость электролита может быть достигнута при стабилизации кубической фазы оксида циркония (ZrO2), путем одновременного введения скандия (Sc3+) и других катионов сравнительно малого радиуса, таких как церий или иттрий. Для получения керамических пластин широко используется метод пленочного литья.
Рис. 2. Процесс изготовления твердоэлектролитных мембран
Данный метод является предпочти тельным для изготовления относительно тонких твердоэлектролитных мембран для ТОТЭ, высокотемпературных электролизеров и других электрохимических устройств, эксплуатационные характеристики которых прямо зависят от толщины и качества ионпроводящей керамики. Для получения газоплотных планарных мембран использовался порошок стабилизированного диоксида циркония (10Sc1CeSZ). На рисунке 2 показан процесс производства твердоэлектролитных мембран, производства «Terio Corporation» в Китае. Отливка керамической ленты производилась на линии «КЕКО» в Словении, а удаление связки и спекание производилось в «Nabertherm» — Германия.
Основные термины (генерируются автоматически): мембрана, топливный элемент, GDC, YSZ, высокая протонная проводимость, механическое изменение, проводимость протонов, реагент, сульфокислота.
Безгин, М. А. Твердые полимерные электролиты для топливных элементов / М. А. Безгин, А. В. Левин, К. С. Улямаев, А. А. Симонова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 47 (285). — С. 4-6. — URL: https://moluch.ru/archive/285/64208/ (дата обращения: 29.11.2023).
Ввиду обширного применения портативных устройств обработки информации, например, ноутбуки и смартфоны, возник спрос на электрохимические устройства, к примеру аккумуляторные батареи, которые используют как источники питания для устройств. Особенно важно, чтобы такие электрохимические устройства производили с небольшими массой и габаритами. Как правило в электрохимических устройствах применяют электролитные растворы, которые содержат в себе электролитные соли, растворенные в растворителях. Вследствие этого такого типа растворы могут приводить к таким проблемам как, возгорание, воспламенение или протечка жидкости. Однако трудности возможно исправить путем применения взамен электролитных растворов твердых электролитов твердые полимерные электролиты. Они являются наиболее перспективным материалом, так как из них можно с легкостью произвести тонкие пленки, к тому же они обладают податливостью и отличными механическими свойствами.
Топливные элементы с ТПЭ. Принцип работы
Твердыми полимерными электролитами называют вещества, имеющие полимерное строение, способные к диссоциации с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость.
Принципиально устройство твердополимерного топливного элемента (ТПТЭ) с газообразным восстановителем-водородом и окислителем-кислородом изображено на рис. 1. Элемент состоит из двух пористых не расходуемых электродов-катализаторов, покрытых слоем катализатора и разделенных протонообменной мембраной из полимерного электролита.
Рис. 1. Структура мембранно-электродного блока ТЭ с полимерной мембраной
Водород на аноде отдает электроны и переходит в электролит в виде иона водорода, мигрирующего через мембрану к катоду. На положительном электроде кислород принимает электроны и, взаимодействуя с водородом, восстанавливается с образованием воды. Электроны движутся от анода к катоду через внешнюю цепь, производя электрический ток.
Электроды с ТПТЭ являются газодиффузионными. В качестве электролита-сепаратора преимущественно используется тонкая, гибкая и прозрачная полимерная мембрана типа «Nafion». На обе ее стороны нанесен тонкий каталитический слой, состоящий из углеродного материала и дисперсной платины. « Сэндвич»-структура газодиффузионный анод/катализатор/мембрана/ катализатор/газодиффузионный катод называется мембранно-электродным узлом (рис. 2) и обычно имеет толщину менее 1 мм.
Рис. 2. Устройство мембранно-электродного узла
Электроды ТПТЭ обычно содержат катализатор в виде мелких высокодисперсных металлических частиц нанесенных на нерасходуемый несущий материал из частиц углерода. Углеродный носитель должен иметь высокую электронную проводимость. Кроме того, его пористая структура должна позволять реагентам и продуктам иметь доступ к активным центрам катализатора. Другие важные особенности углеродного носителя-устойчивость к коррозии и гидрофильный характер. Используются различные типы углеродных носителей: сажа, активированный уголь, графит.
Помимо «Nafion» известны также ряд аналогов- продуктов компаний Asahi Glass (Flemion), Asahi Chemical (Aciplex), 3M и др., которые отличаются малосущественными различиями в структуре боковой цепи полимерной молекулы. Как правило, мембрана «Nafion», которая поставляется в виде коммерческого продукта, имеет при себе трехзначный числовой индекс, к примеру, «Nafion» 117. Данная маркировка содержит информацию об эквивалентном весе полимера и толщине мембраны: для «Nafion» 117- эквивалентный вес 1110 г/моль, толщина 7,2 мила (0,0072 дюйма) = 183 мкм.
Мембраны из полимеров типа «Nafion» механически стабильны и довольно газонепроницаемы. Вдобавок, они химически и электрохимически стабильны и инертны. Отличаются довольно высокой протонной проводимостью, которая ощутимо зависит от степени увлажнения мембраны (сухая мембрана не проводит протоны, так как сульфогруппы не диссоциированы). Данное свойство относится к единому минусу всех полимерных сульфокислот, по причине необходимости в специальном контроле баланса воды в мембранно-электронном блоке (МЭБ) при работе. Перфторированные полимерные сульфокислоты, типа «Nafion» и его аналогов, отличаются четко выраженной гидрофобностью всех участков макромолекул, за исключением сульфогрупп, следовательно резко лишаются способности удерживать воду (стало быть, проводить протоны) при экспозиции в сухой атмосфере: в условиях ТЭ — в отсутствие увлажнения реагентов (при недостаточном перераспределении в мембране генерируемой на катоде воды), а в свою очередь в наличии увлажнения — при превышении температуры значения 80℃, что несет ограничения по температурному режиму работы МЭБ на их основе.
Весомым недостатком перфторированных полимерных сульфокислот к тому же является их высокая стоимость. Для приложений, которые связаны с реализацией ТЭ прямого окисления метанола, большим недостатком мембран типа «Nafion» в добавок ко всему является их высокая проницаемость по отношению к метанолу.
Первые образцы ТПТЭ с платиновым катализатором и водородом, синтезируемым смешением воды и гидрида лития, использовались для электропитания пилотируемых космических аппаратов. Движущей силой внедрения твердополимерных топливных элементов на транспорте является потребность в экологически чистых и эффективных автомобилях, грузовиках и автобусах. С водородом в качестве топлива на борту такие транспортные средства характеризуются практически нулевым уровнем вредных выбросов.
Значительное внимание в последнее время уделяется проблеме использования ТПТЭ в качестве вспомогательных силовых установок (ВСУ) для транспортных средств. В СУ являются устройствами, которые могут обеспечить электропитанием все системы электропотребления на транспортном средстве, кроме двигателя (например систему освещения, кондиционирования воздуха).
Появившись относительно недавно, твердые полимерные электролиты уже стали основой для появления новых электрохимических устройств, характеризующиеся отсутствием жидкого агрессивного электролита, уменьшенными массой и габаритами, экологической безопасностью и высокой надежностью. Значительное число исследований, которые ведутся в области ТПЭ и химически модифицированных электродов учеными со всего мира, обещает получение в скором времени новых, более успешных, результатов в энергетике, появление новых типов оптоэлектронных и компьютерных устройств, медицинских систем.
Основные термины (генерируются автоматически): устройство, мембрана, мембранно-электродный узел, электролит.
Энергоустановки на основе топливных элементов с твердым полимерным электролитом
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.
топливные элементы, твердый полимерный электролит,
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. С ША 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.
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
Разработаны также легковые автомобили (рис. 4) с двигателем максимальной мощности 60 кВт (масса батареи
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 Дании водородный поезд курсирует между городами по маршруту,
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
Рис. 7. Прототип локомотива fuelcell-hybrid switcher; справа — схема хранения водорода на борту локомотива
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
Исландия ведет работы по переводу на водородные ТЭ (и в первую очередь ТЭТПЭ) всего рыболовного флота.
Рис. 8. Водородный прототип гибрида трамвая и автобуса AutoTram
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
ТЭТПЭ предполагается устанавливать на велосипеды, мотоциклы, скутеры и др.
Относительно новым направлением является применение ТЭТПЭ в авиации. Так, в рамках европейского проекта
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.
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
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
Рис. 12. Зарядное устройство компаний Protonex (а) и Voller energy (б)
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
Рис. 13. Размещение топливного элемента SU-1
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
Следует отметить, что для децентрализованного энергообеспечения на основе возобновляемых источников энергии, где энергия аккумулируется
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
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.
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.
15. Fuel Cell — HFP Brussels 17/18 March 2005 — EEV — Ref. P R0501855 — Issue1
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
.