УЭХК Публикации (по ЭХГ и ТЭ) (рус)

A. r.Koni9pambes, B. A . Yepenenun, B. C . ficnenos, A . T . Osuunnu~cos
Fuel and oxidizer alternatives for hydrogen-oxygen fuel cells (FC) of electric vehicle propulsion
system have been compared. It is shown, that depending on the method of hydrogen production both
alkaline FC and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) can be used. In case of production of
hydrogen and oxygen by electrolysis it is technically and econornically feasible to switch to oxygen feed
of cathodes instead of air.
":
CJIOXCHOCTH 3 H e p I ' O y C T a H O B K H ( 3 y ) ~ B T O M O ~ H J I RHO
,
B T 0 X e B P e M R CYHTaIoT, YTO CTOHMOCTb BOAOpOABoJI~LUHHCTBO P a 3 B H T b I X C T p a H IIPHHRJIO H
pe-
U I H 3 y e T 0 6 I L I H p ~ b 1 eI l p O r p a M M b I p a 3 B I l T H R BOAOPOA-
HOG H H @ P ~ C T P Y K T Y P ~ TOIIJIHBHbIX
I
3aIIpaBOK
s p e 3 ~ e p ~ o fCi .O ~ J I ~ C 3H~O0 f Ti O s K e 3 p e H H R ,
H 0 f i 3 H e P r e T H K H , B OCHOBY KOTOPbIX IIOJIOXeHO HC-
M O ~ H J I ~ H IlpOMbILUJIeHHOCTb
~R
AOJIXHa p a 3 p a 6 0 ~ a ~ b
n o n b 3 0 s a ~ ~Beo A o p o U a
I I O C J I e A y I o T H M HCIIOJIb3OBaHHeM AJIR IlHTaHEIR n p H -
6op~oab1enpoqeccopbr A n R npeo6pa30saO ~ ~ H p~R AK HCO
cneaosa~enetiy T s e p x c A a I o T , TO npu A e T a r r b H o M pacC M O T p e H H H 06-BR H H @ P ~ C T P Y K T Y P ~DOAOPOAHblX
TOnJIHBHbIX 3 a I I p a B O K 6 y ~ CTOllTb
e ~ rOpa3AO MeHbX0 ~ ~ 0 LLIe, 9 e M H C n O J l b 3 0 B a H H e H a ~ B T O M O ~ H J I R6
B o A a K o n e c H A p y r H x ~ O P T O B ~ In
Xo ~ p e 6 u ~ e n eofKi a -
BbIX PU@OPM~POB.
6onee ~ @ @ ~ K T E I B H ~ I9Me M
, IlpRMOe CXHr a H H e T o n n E i B a B ~ e n n o ~ oM
f ia u a H e , H a n p H M e p B
A B H r a T e J I e B H y T P e H H e r O CrOpaHEIR (ABC). y ABC C
qHanncTbI
B KasecTse npoMexyTos-
H O r O HOCHTeJIR 3 H e P r H H .
6 y A e ~
BBTO-
cnomHbre
H I l R X H A K I I X TOIIJIHB B BOAOPOA.
Ha ~ B T O M O ~ H J I R X(H H e T O J I ~ K O ) n O J I y Y e H H e
3 n e ~ ~ p ~ s e ca ~H oe pf ri m n y T e M o K H c n e H m BOAOp 0 A a B 6a~apexxTOIIJIHBHbIX 3 J I e M e H T O B (T3) C
B 9aCTHOCTH, K TaKOMY BbIBOAy I I p H I I l J I H C n e *Directed Techrlologies Inc. a , K o T o p b I e
3bIBaeTC.R
I l P O a H 8 J I H 3 H P O B a n H OCHOBHbIe K J I H ) s e B b I e @ B K T O P ~ I ,
y s e n H s e H H e M n o ~ p e 6 ~ 1 f f e ~ oMfOi I ~ H O C T I I KIIA ~ 0 3 - c o n p o B o x A a m r q u e a c n o n b a o ~ a H
~ a~ ~e B T O M O ~ H J I ~
p a c T a e T c 0 no 40 O/o [ I ] . KIIA T3, H ~ O ~ O ~ OcoT , pa3JIH9HOI'O TOIIJIHBB, BKJITIK)ZlaR: CTOEIMOCTb 8BTOMO-
40-50 '3, A 0
70-80 % . T ~ K H 06pa30~,
M
npa 6onee B ~ I C O K O M
KIIA B q e n o M xapamep H ~ M ~ H ~ HKIIJI
H R OT MOTHOCTH y T 3 6onee np~cnoco6neaK p e s K u M y a B T o M O ~ M J I ~ H O IA' O
B H X e H H R , Y e M Y ABC.
C H H X e H H e M MOWHOCTH B 0 3 p a C T a e T C
f l e J I a I o T c R n O n b I T K H CKOMIIeHCHPOBaTb H e n o n ~ 0 f l R T H fX
i a p a K T e p 3aBHCHMOCTH
CTH AJIR
Knfl OT M O T H O -
ABC EI T Y P ~ H HC03AEiHHeM ~ H ~ P E I A H ~CXeM
IX
C I I p O M e X y T O Y H b I M H , B03EIMbIMH H a ~ O P T Y ,H a K O nuTensrMH aHeprHH.
KIIfl
TaKoro HaKonHTenR H a
OCHOBe 3 J I e K T p H s e C K H X a K K y M y J I R T O p O B H ABEIra-
T ~ J I R - r e ~ e p a ~n ooppa aA K a 65
'%I
[I].
~ H J I R , B TOM sEICJIe CTOHMOCTb TOIIJIIIBa, TOIIJIHBH e~e~; BO3AYLUH 0 f i AH@P~CTPYKTYI)~IH H H B ~ C T H ~B H
Hoe
3 a r p ~ 3 ~ o~pyxcarolqefi
e~~e
cpeAbI;
Tennome
3MHCCHH; H ~ @ T R H OHMIIOPT;
~~
Ha4HOHaJIbHYIo
6e30-
IIaCHOCTb EI CPOK C J I Y X ~ ~( Ia H a J I H 3 IlPOBOAHJICff AJIR
CIIIA) [2].
H~CMOTPR
H a 3HaZIHTeJIbHbIe @ H H ~ H C O B 3~aIT~~O
y P T O B O ~pOE I @ o p ~ e p aB P a M PaTbI H a p a 3 p a 6 o ~ ~
K a X I I p O r p a M M b I p a 3 B H T H R a ~ ~ o ~ o 6 a nH ea fTi3 [3],
CTaHOBIlTCR BCe 6onee 0 9 e B H A H b I M , ZIT0 pa3pa6aT b I B a e M b I e p H @ o p ~ e p b 16 e ~ 3 E I IIO
~ a MHGI'EIM naps- $
M e T p a M H e CTbIKYIoTCR C B 0 3 M O X H O C T b H ) EIX EICn O J I b 3 0 B a H H R B ~ J I ~ K T P o M o ~ H[dl.
J I ~~ P H Y E I H E I 3TO-
ro
ABTOMO~AJIH
Ha T3
MOPYT EICIIOJIb30BaTb BO-
AOpOA, HeIIOCpeACTBeHHO x p a H f f ~ H f i c f f H a ~ O P T Y ,
HJIH I I O J I y s a T b
er0
C I I O M O q b I o ~ O ~ T O B OPH@OP~ O
TpYAHOCTRX CO3AaHHR AeLUeBOI'O, ~ @ @ ~ K T H B H O I ' O
H
I I p H e M J I e M O r O AJIR ~ O P T O B O ~ H
OC t I O J I b 3 0 B a H H R
6 e ~ -$
B H H O B O ~ Op a @ o p ~ e p a .
M e p a ~3 X E I A K O ~ O T o n m B a , H a n p H M e p , M e T a H o n a
3
?
B o - ~ ~ P B ~npa
I X ,H C I l O J I b 3 0 B a H H H ~ O P T O B O ~ O
@ o p ~ e yp Aa e n b H a 8 M O ~ H O C T~ ~c e f aaeproyci
''I
6 e ~ 3 ~AJIR
~ aKOTOPbIX
,
CYqeCTBYeT pa3BHTaR
a a n p a ~ o s ~~ ~a @
~ p a c ~ p y ~ cM
~ ~
y o
p ra x. aeH a n H T H KEI C o r n a m a m T c R , TO BOAOPOA R B n R e T c R npennos-
EI CTOEIMOCTb YBeJIH9EIBaIoTCR. H a n p H ~ e p no
,
AaH-
TUTeJIbHbIM TOIIJIHBOM C T O g K H 3 P e H H R ~ e H b L U e f i
HbIM
HJIH
C T ~ T n~o R
cTynnna
B pegaKqam
E'
~ ~ K J I I ~ ~ B~ ~~O JTI ~CI LRI H X
TexHonorHsecKHx
p ~
TaHOBKH 3HarIHTeJIbHO YMeHbllIaeTCR, 8 r a 6 a p E I ~ b 1
[2]
CTOHMOCTb ~ O P T O B OCEICTeMbI
~~
XpaHeHEIR
06.04.2005. The artisle has entered in publishing
office
06.04.2005.
BOAOpOAa B C X a T O M COCTORHHH B
6-7 pa3
HAXCe
C&
6onee ~ b 1 ~ 0 K 0 fCJIOXCHOCTH
i
IIOCJIeAHeI'O.
CTO~MOC
3fCe
T ~TO~IJTMBHOG
H . I H @ ~ ~ C T P Y K T Y PBO~I
T a M COOTBeTCTByeT JIHLUb
TeJIbHO
rlr
V
?
X ~ O BCel'O
M ~
y ~ Be 2-3
~
pa3a H a X C e CTOtiMOCTH
~ O P T O B O ~p
O~ c p o p ~ e p a .
Bo-BTOP~IX,
T8I-C K 8 K p F I @ o p M e p H a 6 0 p ~ yBET O M O ~ H J I Hp a 6 0 ~ a e
TOJIbKO
~
BO B p e M H er0 3KCIIJIya T a y H H , TO I-CO~@@MU,H~HT
el'0 5XCIIOJIb30BaHHJI BO
BpeMeHEl HeI3eJIHI-C. f l p H M e ~ f ? ~ H
Xe
e IIOCTOsIHHO pa-
FIHCTbIM
lTpOFIer0, B C H J I y HeKOTOPbIX OCO-
6 e H H o c ~ e f pa60~b1
i
p r ? @ o p ~ e p aer0 AOCTaTOFIHO TPYA-
T o M o ~ H J I I ~ ,6
6o~aro1qsxC T a 4 H O H a P H b I X
3Y, I I A T a e M a s I
BOAOPOAOM.
AOPOAHbIX 3aIIpaBOEC, I I P H B e A e H H a J I FL OAHOMY a B -
2
H3 T ~ ~ J I H I JCJIeAyeT,
~I
FIT0 C T a H A a p T a M 3MHCSULEV H EZEV no OpraHHrZeCKIiIM KOMnOHeH-
CTOHMOCTH ~ ~ H ~ E I H O BpO
E l~@Oo p M e p a I I P H 3HBYH-
HO I13rOTOBEITb C lTPHeMJIeMbIMH AJIH HClTOJIb30BaHHH
6 0 p ~ yM ~ C C O ~ ~ ~ ~ P E I T HX a~PIa M
K THe P H C T H K a M H
[dl. B n m 6 0 ~C J I F a e B H e C e H H e TaKOI'O Y C T ~ O ~ ~ C
Ha
T B ~
B COCTaB 3HeprOYCTaHOBKkl ~ B T O M O ~ H J 3HaFIHTeJIbIR
H O Y B ~ J I ~ Hero
T C T O H M O C T ~M M a c c y
nps 061qe~
~ H @ O ~ M ~G O
~ JOI ~BL U O ~ C H H X e H E I H P e C y p C a EI H ~ e X H O C T Hpa60~b1.B T e X -
-
2
MOLIJ,HOCTH JIOSBOJIHT C Y q e C T B e H H O CHH3MTb CYM-
HEl9eCICOM OTHOIIIeHMH Y P O B e H b ~ a 3 ~ 8 6 0 T E G X 6- ia T a -
2
M a p H b I e 3 a T p a T b I H a O ~ O ~ ~ A O BH ~lIOBbICHTb
H H ~
AX
p e M TOnJIHBHbIX 3JIeMeHTOB R B J I R e T C S
$
~@@~KTHBHOCT~.
ABRHYTbIM AJIR MCIIOJIb30BaHHR B 3HePI'OYCTaHOBICe
-.
13
B - T ~ ~ T ~HeAOnyCTHMO
HX,
eTCsI FLOHIJeHTpaqHfl
B ~ I C O K OO~X~a 3 b I B a -
J'I'JIeBOAOpOAOB.
O T C I O A ~CJIeAyeT BbIBOA, YTO HOJIYVaTb BOAO-
B P H @ O P M ~ T ~( O C O ~ ~ H H OCTPO
O
3TOT BOnPOC CTOHT
n p s n y c K o s b I x H n e p e x o A H b I x pewmaax pa6o~br
p a @ o p ~ e p a )P. s @ o p ~ ~ p o ~y ran e~B ~
o Aoo peo A H o e
C02, H20 ti
Hz, N2, CO,
IIpO-
~ B T O M O ~ E I J9I e~M
~ ,Y P O B e H b p a 3 p a 6 0 T ~ E pI ~ l @ o p ~ e p a
IIpkT~ecefi,IIpHCYTCTBYIoIqMX
TOIIJIEIBO lTpeACT8BJIHeT I.13ce6n C M e c b
6onee
pOA M3 YrJIeBOAOPOAHbIX TOIIJIMB
yeaecoo6pa3~efi
H a CTa4kTOHaPHbIX YCTaHOBKaX, He IIP€?AZRBJIRH3-
Y H X XeCTKElX ~ p e 6 0 ~ a ~ K
A fMi ~ C C O ~ ~ ~ ~ ~ H T H M M
XapaKTepHCTHICaM H IIO3BOJISEoIl(HM IIPOBOAHTb rnyCO B T 3 C ~ T ~ O T O H O O ~ M ~MHe M
H -O ~ ~B O K Y I ~AOOYMCTICY PH@OPM~TELOT B P e A H b I X I I p H M e 6 p a ~ o f (TSnOM)
i
O T p a B J I H e T ~ H O A H ECBTBTIEISB~ I ~ ~
cefi. I3 K a s e c T B e H c x o A H o r o y r n e B o A o p o A a c n e A y e T
TOP, C 0 2 B ~ e ~ b m emi ei n e m , HO TaI-Cxce o ~ a 3 b 1 ~ a -I I p H M e H H T b AOCTyllHOe B A ~ H H O
MeCTHOCTEI
~
CbIPbC?
e T B p e A H O e B J I H R H H e H a XapaIcTepHCTMKM a H O A a ,
(nysrue B c e r o M e T a H , I I P E I P O A H ~ T1783).
~ ~ ,IJ,JI~
KaxAPYrElX B e W e C T B , B 3aBEICElMOCTkZ OT
B H A a TOIIJIHBa.
c y r q e c T s e m o n p e s b I m a I o r q e e B @ @ ~ K Tp a 3 6 a s n e ~ ~ s 1AOI'O l3llfla C b I P b 8 H ~ O ~ X O A E I M pO a 3 p a 6 8 ~ b 1 ~ aH~ b
Hz. B C.i'IyYae T3 CO q e J I O Y H b I M 3JIeKTPOJIHTOM H3rOTaBJIHBaTb CBOe c I I ~ ~ H @ H F I ~ c KO o~~ O ~ ~ A O B ~ H
(UTE)) CO H C 0 2 JrHLUb K ~ P ~ O H H ~ Z I P Y I3OnT e ~ ~ p o M C T O ~ H E ~ E CBOAOPOA€l
~ ~ M L I AJIsI 3Hepl'OYCTRHOBOK
JIHT, H e O K a 3 b I B a R O T p a B J I J I W ~ e I ' O BJITIEIRHHJI H a
H a T 3 MOl'YT 6 b I ~ yb r n e p o A c o A e p x a r q H e B e q e C T B a
a H o A . B ~ a 6 n1
. n p s s e A e H o c p a B H e H H e a ~ m c c ~ f is B o n a .
3HeprOyCTaHOBOK, I I H T a e M b I X BOAOPOAOM, lT0JIrzyYeHHbIM Pa3JIIIYHbIMM C I T O C O ~ ~ M E IC, 3MMCCHIIMM ABHFaTeJIH BHYTPeHHerO CrOpaHAH
[5].
y l ? J l e p O A C O A e p X a W A M B e q e C T B a M OTHOCRTCS: H ~ Q T ~
T ,T ~ H ~ O A H
r83,
~ I ~
Y r~O: n b ( H ~ B O ~ O ~ H O B J I H -
e ~ b ~ e6 )a ,o ~ a c c a(C
Opra~~rec~ue
OCS)
CO
KOMlIOHeHThI ~
~~~
J y s u ~ ~ i iB ~ P O R T H
JIYYLUHG
BapHaHT
BapHaHT
r I e p e p a 6 0 ~ ~ 0 fBi M ~ T ~ H B
) .o ~ o -
NO,
Bepo~mblii A Y S W ~ ~B e p ~ ~ m b l i i
BapHaHT
BapHaHT
BapHaHT
BapHaHT
~ H ~ M H O ABC
B ~ ~ G
0,755
7,553
0,704
B o n o p o n ~ a3 ~Y
0,004
0,003
0,Oo 1
M ~ T ~ H o3 ~Y ~ H0,020
~ H
0,023
0,003
0,004
0,Oo 1
0,oo 1
E e ~ s ~ ~ o3sYa a
0,371
0,004
0,005
0,OO 1
0,OO 1
0,268
C ~ a ~ ~ a ~pM~HbC lC H ~ ~
Tier I1
0,125
1,7
0,2
ULEV
0,04
1,7
02
SULEV
0,O1
1,o
0,02
EZEV
0,004
0,17
0,02
M ~ ,
p o ~3
~ BTEZXHCTOYHHKOB
nonyYamT, KaK npaBHno,
I I y T e M K O H B e p C H H ( P H @ o P M H H ~ ~ )TOIIJIHBa I I P H BbI-
35 % -HbIM PaCXOAOM M O q H O C T I 3 H a C X E I X e ~o~opo~a.
3aTpaTb1 Ha li~@pa~~pyICTypy.
npIl HClIOJIb-
MepH0
Hme
c o ~ o i Ti e M n e p a T y p e c
A o 6 a ~ ~ e B
~ OmA ~e I .~T e ~ n e rrpoqecca A o c T a r a e T c a 3a c r e T c m n r a H n a
3OBaHkiR C X a T O r O BOAOPOAa I I O T P ~ ~ Y ~ T CMSe ~
H :b l I I e
Y a c T H T o n n m a . I I o n y ~ a e ~ b rsi o
i ~ o p o3 ~
a r p m ~ e ~~ a n ~ ~ a s r o ~ n o xB eT O~~~J TiHiBiH Y I On ~ @ p a c ~ p y
6 o n b r u KOJIHYeCTBOM
~~
I I p k i ~ e c e 6 ,B OCHOBHOM C02,
py, e c m B H e e T a I c x c e B K J I I O Y H T ~ ~ O P T O B O TOII~~
J I H B H ~ I npoqeccop.
~~
H~EI~OJ'I~IIIIIX 3 8 T p a T H a HH@KoTopbIe X e n a T e n b x o ~J(&TISIT~.
H3 BOAbI BOAOPOA M O W e T 6 b 1 ~ bIIOJIyYeH I I y T e M P a C T p y K T y p y I I o T ~ ~ ~ ~YB TI O~MTO ~ E I J I EHI a T3 C 60ppaTypa
3JIeKTPOJIH3Br T.
KMX IICTOUHHKOB
K
e. C H C l l O J I b 3 0 B a H H e M 3 J I e K T p I l q e C -
TOBbIMH IIpOIJeCCOpaMH ~ H @ o ~ M H6 H
e ~~ 3~ ~ H a .
CTOEIMOCT~
TOHJIHBa. C X ~ T BOAOPOA
~ I ~
3~eprn~.
TaKMM HCTOYHMKaM OTHOCHTCH: COJIHeYHbIe,
2,6
( ~ T ~ H M ~H~a H
Y poO B H e
3 J I e K T p O C T a H q H H ( B O ~ O ~ H O B J I H ~HMC T
~O
IY
~ HHKI~),
X O A ~ I~a B c e T ~ M
BMAa T o n n m a
H b I e aJIeKTpOCTaHL(MM.
~onnmse),a T o M -
B IIepCIIeIcTHBe,
B03MOXH0,
H T € ? p M O R A e p H b I e , I I o J T y Y a e ~ b 1BOJ(0pOA
~
IIpaIcTHq e c I c m C B O ~ O J ( ~OM
T
AOJI-
X e H 6 b 1 ~ bH a H M e H e e AOPOrOCTOHqEIM TOHJIEIBOM
BeTpsIHbIe, IIpHJIHBHbIe 3JIeKTpOCTaHqHH, r H A p 0 -
TerrnosbIe (Ha yrnepo,qco,qepxcaryeM
q e H T a H a MEIJIIO), HO P a C -
HOJI, ~ ~ H ~ E COCTILBJIRIOT
I H )
MeHee
(~o,qopo,q,M e T a 10 U/o O ~ ~ E HI 3X-
f l e p X e K . H a 3 K C I I J I y a T a q H I o ~ B T O M O ~ E I J I SHI II03TOMY
MaJIO O T p a 3 a T C H H a ICOMMep.IeCKOM Y C I I e X e 3 J I e K T p o ~ o 6 ~ ~ rHea i T3.
i
rrpa~eceii,
CTOHMOCT~
~BTOMO~HJIR
C. ~ M ~AeLueBbIM
IM
B CIIIA AJIH o n p e A e n e H H b I x p a i i o ~ or ~
acm
soqopoga n n a H H p y e T c s r n o A y s a T b H c I c J x E o u a T e n b H o
P I l a H T O M A O J I X e H 6 b I T b ~ J I ~ I c T P o M o ~ ~ ~eAHHCTEleHJ'I~,
C IIOMOqbEO 3JIeKTpElueCTBa rRAPO- ki aTOMHbIX 3JIeI-C-
H ~ I MI~CTOYHHKOM T o K a B KOTOPOM
TPOCT~HI@~
B H O g H O e BpeMSI,
O Y ~ BHa W~H b I M
8C-
lleKTOM K O H ~ e I I q H HIIOJIyYeHHR BOAOpOAa 3JIeIcTpUJ I R 3 0 M H 3 BOAhI RBJISIeTCR He38BHCYZMOCTb OT OCT a B I I I H X C X M H P O B b I X 3aTJaCOB yI'JIeBOAOpOAHOr0
er0 CTOHMOCTH, nepe6oe~C IIOCTaBKaMH
[3]. B 6 y ~ y q e M3 T 0 AOJIXHO I I P I l B e C T R K
TOIIJIHBB,
H T . lI.
Y B e J I H Y e H H I o AOJIH n p O H 3 B O A C T B a 3JIeKTPOJIH3HOrO
BoAopoqa.
B
~ ~ y -
CBH3H C T e M , 9 T O B H a C T O H q e e BPeMSI CTO-
Ba-
T3;
RBJIH~TCSI
r H 6 p H ~ H b I f i~ J I ~ I C T P O M O ~ E ICJ IElKKYMYJIRTOPHbIMH
~
6 a ~ a p e s 1AJIR
~ ~ 0 6 e c n e s e ~ s~~H K O B ~ I ~
Xa r p y 3 0 ~
6 y , q e ~H a $780 A o p o s r t e . AJIH ~ J I ~ K T P O M O ~ RHJ Ia ~
T 3 CTOElMOCTb B a p H a H T a C MeTaHOJTbHbIM TOIIJIHBOM
6y,qe~H a $550-1600 gopome sapmama c n p ~ ~ o H
no,qa.reB BOAOpUAa. CTOHMOCT~
~ ~ H ~ E I H O B O Ir' ~
O6pm~H O r O ~ J I ~ K T P O M O ~ H J IHRa T 3 6 y ~ H
e a ~$7502400 B b I W e CTOmMOCTH ~ H ~ P H A H O ~~JOI ~ K T P O M O ~ H JIR H a
T3
C ~OPTOB~IM
X P a H e K M e M BOAOpOAa H H a
BHCHMOCTH OT KOJIklYeCTBa PI TIpOH3BOAHTeJIbHOCTH
$1600-4500 BbILIre ~ J I ~ K T ~ O M O ~ I I JT0JIbK.O
IH
H a T3.
M ~ C T HaOa r~ p s r a ~ e ~
~0
~ 3eg y x aBce
.
TPH B q a
3JIeKTPOJTH3ePOB ( n p H CTORMOCTH 3 J I e K T P 0 3 M e P I ' H H
T O I I n H B a COOTBeTCTBYEoT C Y q e C T B Y I O q H M OI'paHH-
3 ~ ~ H T ~ / K BBb ITI I I.e ~CTOHMOCTH
)
BOAOPOAa, IIOJJYs a e M o r o p m @ o p ~ s ~ (0,3-0,8
r o ~
$ / ~ r )B, 2-3 paaa,
H M e e T CMbICJI IIOJIYYaTb er0 OIITEIMaJIbHbIMH AJIH
E c a m A o r o p e r n o H a c n o c o 6 a ~ Ho
~ . B J I E O ~ O Mcnyqae
CTOHMOCTb TaKOI'O TOnJIMBa ~ Y A B
~ 2-3
T
p83a A e I I l e B J I e 6 e ~ 3 [2],
~ ~BaI I p H B e A e H H b I X B b I I I I e O q e H -
9 e H H H M lI0 B ~ I ~ P O CCO
Y EI
NO,. n p H C O B ~ ~ M ~ H
n e p e p a 6 0 ~x H~A~I c m x T o n n k i B aarpa3H e w e n a p a M E i M e T a H o n a k~ 6 e ~ 3 ~ n1p e~ Bab I c m ypoB e H b HOPM SULEV no TOEECHYHoCTH BbIXJIOHHbIX
r a s o ~ .3 a r p m ~ e n~a ~p aeM n J r e T y r H x o p r a H m e c -
K a X CTOHMOCTH BOAOPOAa, IIOJIYYeHHOI'O 3JIeKTPO-
@OTO~~~KTEIBHOC
MeTaHOJIbHOrO
T~)
~JI~I~TPOMO~HJISI
HMOCTb 3JIeKTPOJIH3HOrO BOAOPOAa
1-3
$/ICI'
B
3a-
JIaaOM, e C T b HeKOTOpaR HeOnpeJ(eJIeHHOCTb, T a K K a K
eqe
He
c o a ~ a s aa
~ a p a c ~ p y ~ c ero
~ y pMaa c c o B o r o
IIPOH3BOACTBa, ECOTOPaII IIO3BOJIRT AOIIOJIHHTeJIbHO
CHH3HTb
er0 CTOHMOCTb.
Ha c e r o ~ ~ R I I I ~ rAnefHi b pa3pa60~1-c~
BeAyTCII
B
OC H O BH O M B H a n p a B n e H H r n D o x y u e H a s B o A o p o A a
Cnec Directed Technologies Inc. e [2] aa
H O ~ ~
TexHoaorHa
KHX KOMIIOHeHTOB ( I I o c J I ~ IIOlTpaBKH H a 030HHYEO
Ha
T 3 6 y ~ COOTBeTCTBOBaTb
e ~
HOPMaM
ULEV TOKSULEV,
CHgHOCTEi BbIXJIOIIHbIX r a 3 0 B , HO H e HOPMaM
a a a r p m ~ e n~a p~a eM H 6 e ~ 3 a r~r pae s b I c 1 i T y p o s e H b
@ e , q e p a ~ b ~HbO~ ~x MCLUA Tier I1 no c o A e p x a H H E o
J I e T y q H X OpraHElYeCKEizX KOMlIOHeMTOB.
Bb16poc 1-838,C03~am1qeroI I ~ P H H K O B ~3@I~~
I I y T e M KOHBePCEIH YI'JIeBOAOPOAHOrO TOKIJIRBa.
Q ~ K THcnonb3o~a~11e
.
pa60~a1o11p~x
Ha
qkianscTaMm
3 J I e K ~ p 0 ~ 0 6 P i JH
I ea ~
BoAopoAe
T3 I I p H B e A e T K CHHsKeHHIO n p H -
M e p H 0 H a 39 O/o ~b16pocara3a; y MeTaHOJIbHOX'O
6 e ~ 3 ~ ~- J I ~ K T ~ O M O ~ HHJ aI RT3 3TO C H R X e H H e B J I Y Y n e M
Ha) cAenaHbI c n e A y m q H e B ~ I B O A ~ I :
C J I y Y a e COCTaBHT 32 %. Ha~GoneeB e p O H T H O e CHHB O ~ T O BXO
p a~
H e H E l e B O A O p O ~ a . C y q e c T ~ y ~ o - merrae ~ b 1 6 p o c ara3a y ~ ~ H ~ I I H O B ~
OH
~ ~O P H A H O ~ O
q n e T e x H o n o r m ( x k i g ~ ~ BOAOPOA
f i
II c x a ~ b ~BOii
~JI~ICTPOMO~HJT
HRa T 3 no C p a B H e H H I o C O ~ ~ I Y H ~ I M
A O ~ O A )cnoco6~br0 6 e ~ r 1 e r I l ~Hb ~ O ~ X O A H M ~CHCTeIO
~ B T O M O ~ H J ICOCTaBHT
~M
J I H u I b 7 %>.
MY GOPTOBO~O X p a H e H H R AJIH IIpOABEIXeHEIH 3 J I e K T Co~paIqe~
no
~~
epe6nea~
6 ae ~ 3 ~B~Mae T.a p o ~ o 6 ~ n e Hi ia T3, HOBbIX IIpOPbIBOB B 0 6 n a c ~ a HOJ'IbHbIX H BOAOPOAHbIX B J I ~ K T P O M O ~ H J I H XH a T3
x p a H e H m a T o n n m a H e T ~ ~ ~ Y ~ TIIpm
C X a
. ~ a n m e , IIpHMeHeHHe 6 e H 3 H ~ B
a A s H r a T e J I e ~ B T O M O ~ H J I637H
sa H c I c n I o s e H m e M B a p H a H T a c GOPTOB~IM x p a H e H H A e T HCIcJIIoTXeHO, a y ~ ~ H ~ R H O B O I~' O
E I ~ ~ H A H3J
OIe~IC
Oe M m H , q K o r o B o A o p o A a , rrpe,qrronaranocb, YT O HCT ~ O M O ~ H J I JHI a T3 B 0 3 M O W H O e C o E E p a q e H H e ll0~pe6n o ~ r b 3 y e ~ c s~o,qopo,q,
r.
c m a ~ b r i ~o
i 34,5 MIIa. 3 a ~ p a - J l e H H 8 TOIIJIHBa B J I y ~ I U e MC J I y s a e COCTaBHT 29 % .
OBecneue~~oc~
Cba.~ b ~J IiYi Y I U H ~ n~ y ~ K
b ~ a T b I H a C W H ~ ~ C ~ BOAOPOA
H H ~ I ~ ~~Y A Y TBbILUe, Y e M l I p H
~ c n o n b a o c~x xaa T~o r~o B~ o n o p o g a , B CBSISEIc n p ~ - A€!XCHO~~ 3 H e p r H H AJIH T p a H C I I O p T H O r O C e K T O p a B
OCHOBe a H a J I E I 3 8 T p e X B a p R a H T O B TOlTJIHBa An53 3JIeK-
~ p o ~ o 6 ~ nH ea iT3
i ( B O A O ~ O J (M
~ ,e T a H o n a
ll,jl:ll
Il
! I I ~ I ~ ~ ~
5rI~ ,t ~ rlri:
~l l~
~
iotrctr,\l
~ O I ~ f~o r~ Attcrntitl\is~
I rrikr
gy' ,urrcd Eu rdoyy 1SJAI Il. brl 'I( r14) {?llOS)
W!<.>ltfi~iial.io&~lh~n
HAYAIHbIM ~ y p ban
i i<AnbrepllrlTMntian uurtlpl a>Tclite,r Ir Iltcinor k r i u l a A".L'L Irl
'8(.74)
(2005)
H e r 0 C0.2
AOpOXCe,
ye~1ecoo6pa3~0
TaM
M e , XOTH OH C T a H e T
MOXHOOYHIIJitTb BOAOPOA
6 y ~ ee q~e
T O M O ~ H J I H , HO
TO
~ 1 0 6 cnysae
0~
cJreAyeT O Y m q a T b
H H a ~ O P T Y2iB-
Aopoxce.
Boqyx
B
~a 6 o p ~ y .Y x e
H3BeCTHbI YCHeIUHbIe lTOnbITKH peaJIH3itqCTX3 ~ O P T O -
A B T O M O ~ H3HePrOYCTaHOBKit
JI~H~~~
H a OCHOBe
6 a ~ a p e aT 3 (ET3), K a K H H a o c H o B e ABC EZJIEZ
AH3eJI$l,
HCIIOJIb3YeT B K a U e C T B e OKHCJIHTeJISI a T -
B B03AYXe COAepXHTCR OKOJIO 2 1 % K a c n o p o A a . Boa,qyx BO B p e M s I pa60~b1
O ~ ~ I Y Hn O
p o K a u H s a e T c a repea ET3 c ~ a ~ oc f~ io p o M O C C ~ ~ P ECHCJIOPOA.
H ~ I ~ ~
CTbIO, Y T O ~ K
~O
I B ~ I @ H I J H ~ H lTOJIe3HOrO
T
HCIIOJIb30-
newan B npegenax 0,4-0,6. Aria
0 6 e c r r e s e ~ specypca
~
pa6o~b1T 3 ~ o 3 ~ Ay oxn x e H
BaHnsI I c n c n o p o A a
BOG CHCTeMbI OqHCTKH B 0 3 A Y X a OT CO2 C P e r e H e p H PYeIvIbIM ~ A C O ~ ~ ~ H [T6O
] .M
Korna s o ~ o p noo~n y Y a l o T ~ J I ~
qenecoo6pa3~0H e sb16pacb1sa~bB a
~
~
B
2
K T ~ O ~B
HO~AO~ IM
,
~ ~ o c @ e npop y
o ITOIIYTHO
~
~
MB e C
~ b MIa Y~F ~ C T ~ IECHCJIOPOA,
G
a
2
LJ
S
c
er0 A n s I I I H T a H H H KaTOAOB T3.
n e p e x 0 ~C BO3AyXa H a KHCJIOpOA CymeCTBeHHO
y a y u r u a e T ~ o n b ~ - m n e p ~x aypm
a K T e p s c T s K y T3.Ha ;
n p a M e p e T 3 ~CPOTOHO(PEIC.1) BHAHO, UTO npn H a r r p s I x e H m s 0,8B s A a s n e H m M 0,4 MlIa ~ J I O T H O C T ~ 3
T o K a y B e n a u x l s a e T c a n o s T k i B 3¶5paaa ( n o ~ p o 6 ~ o
ee
T3 ~ @ O T O H * B pa6orax [7-101). Eonee T o r o , IIOc r c o ~ l b ~ IyP M3nerc~po~1nae
K k i c n o p o A H ~ o ~ o nerp o ~
RCIIOJIb30BaTb
C
r:
:
6b1~b
I I p e A s a p m T e n b H o rny6o~coo s m q e H OT nbInEjr,
a B P.FLAe CJIyr-Iaf?B AJIH IIOBbILIIeHH.FL FL@@?KTHBHOCTH
T 3 e q e M c % a T ~o A a s J r e H H a 0,2-0,4 MITa.
B O ~ A YC OXA e p X H T HeKOTOpOe KOJIEIYBCTBO YI'JIeKO IIOJIycIaWTCH I I p H IIOBbIUreHHOM #3BJIeHHH, IIOHBrcMcJroro rasa, sb13b1~a1oqero
B c n p a e L4T3 R a p J I a e T c s I e q e OARH pbrgar ~ o a ~ e i i c ~H
s aa BAX.
a
I43
6 0 ~ ~ a a y aa mn e ~ ~ p o EZn 6b1c~poe
~ ~ a csawease xa- pac. 1 c n e A y e T , YTO 3 a ~ e ~
~ 0a3 ~ y (0,4
x a MIIa) H a
PaECTepHCTHK aJIeMeHTOB, ZIT0 3 a T p y A H H e T HX KOM-
EcMcnopoA (0,7 MlIa) y s e n n u a s a e T r r n o T H o c T b T o I c a
x o ~ s rOHM A o c T a T o Z I a o 6onee u e M B 4,5 pasa ( I I ~ H0,8 B). A TO 0 3 ~ a s a e ~
n p o p a 6 0 T a ~ b lH IIO CpaBHeHHIO C T3lIOM HMeIoT
B03MOXHOCTb COOTBeTCTBYEOqeI'O YMeHbLLleHMR IIJIO6onee sb~corcymB O ~ ~ T - a ~ n e xpa ~p ayE rc Toe p m c T m y IIJWH K o M r m e s c T y m r y H x T3, pacxoga K ~ T ~ J I H ~ ~ T O (BAX) B 0 6 n a c ~ nMaJIbIX 13. Y M e p e H H b I X Hal?PY30K
POB Ef APYI'HX MaTepMEiJIOB. C Y ~ ~ C T B ~'JMeHhJXaHHO
P e C y p C , Y A O B J I ~ T B O ~ R E O~~BHT~O~ M O ~ H J I ~ H~~pIeM6 o - ~ T C M
R a c c a EI 0 6 ' b e ~
BT3. H a n p ~ ~ eBpc,n y r I a e KOHBaHHsIM (25000 Y). n p o 6 ~ 1 e ~ a p 6 0 ~ ~ 3 a q a ~ a C
n TeP~~ K- T ~ B H ~pemesmii,
IX
~ J I R B K H XK I I C ~ O J I ~ ~ O B ~ H H ~ I M
TpOJIMTa OTCYTCTBYeT B KHCJIOTHbIX T3, PI 3TO OAHa
B T3 ~@oToH)>,
0 6 ' h e ~BT3 yMeHbLUaeTC.FL IIOsTM B
a3 OCHOBHbIX IIpHYHH, 0 6 y c n o ~ ~ ~ r u
UHTeHCHBr~x
3 pa3a. K p o ~ TOrO,
e
OTlTwaeT H ~ O ~ X O # T M O C
B TAO~
HYIO p a 3 p a 6 o ~ ~T3lIOM
y
B I I o c n e A H e e B p e M f i . Onp O r O C T 0 5 I ~ e MIT E.rAaJIeK0 H e ~ ~ C U Y M H O M
KOMIIpeCCOpe
HaKO, HeCMOTPR H a TO YTO B 3 T 0 H a I I p a B J I e H F i e yXCe
sosgyxa. l I o c n e ~ ~ m iEi ,C ~GK~ I J I OH a M H O u e H e H o , H e
BJI03KeHbI OrPOMHbIe CPeACTB8, IIORBneHylR KOMMePTOJrbKO n o ~ p e 6 j r . F L e T10-15 O/a MOqHOCTH ET3, HO EI.
Y e c E c o r o n p o A y E c T a B 6n~xaiiruee
s p e m H e rrpeAsHc o 3 ~ a e11p06ne~b1
~
T e r I n o B o r o xapamepa s3-aa pafiHTC5I. T ~ ~ ~ H O C
BCTaBIUHe
T E I , I I e p e A pa3pa60~.1~~a-3OI'peBa BO3AyXa ITpH KOMJIpeMHpOBaHHH. H ~ H Y X H O ~ ~
MeprecKoe npnMeHeHHe,
MH, OICa3aJIHCb q p e 3 M e p H b I M H
[5].
CTaHOBHTCH CHCTeMa OZIHCTKM BO3AYXa OT lIbIJIM,
~ O ~ T O MYIMeeT
Y
CMbICJI BHOBb IIPOaHaJIEi3HPOB a T b B03MOSfCHOCTb K O M M e P ~ e C K O I ' O JIPMMeHeHHSI
4T3,HeCMOTPsI
H a TO YTO T p e 6 y e T c S I B e C b M a
I'JIy-
a I3
cnyvae 4 T 3 - a OT GOz.
l l n a ~ o f i3a n e p e x o A H a I c H c n o p o A m n R m T c s I
IIOsIBJIeHHe H a 6 0 p ~ y
~ B T O M O ~ H eMK0CTYI
JI~
C KHC-
6orcas (AO 5-10 ppm) ovMcTEca EcaK ~ o s ~ y xTaIc.
a,
JIOpOAOM
H ~ O ~ X O A E I M O CCT
0 3~A a H H H M H @ ~ ~ C T P ~ K ~3 p r n Q o p ~ a ~
OT
a C02. E c n ~ o g o p sob~1 p a 6 a ~ ~ s a -T y p b I 3 8 I I p a B O Y H b I X ECHCJIOPOAHbIX ~'l'ElHIJlll%. B H a eTCR C T a ~ E l O H a p H b I M~ H @ o ~ M € ? ~ oTO
M ,YAfiJIsITb H 3
C T O R m e e BpeMsI yXCe C 0 3 A a H b I JEerIcHe K O M ~ a E C T H b I e
B o n ~ ~ - a ~ n e p ~xapaxbre
TepUCTHKH T3:
1 - 4 CDOTOHe ,
Hz-O,, 0,7 Mlla;
2 - UCDOTOH~),
H,-O,, 0,4 Mna;
3 -- *Mark9000
(QHPMBs Ballarda,
ICa~a,qa,2001 r.),
Hz-~oa,qyx,0,4 MIla;
4 - ~DOTOHQ,
H Z - ~ o ~ g y0,4
x , MlTa
K). n. r o n w , A.
r. KOHAPAT~EB,B. M. MATPEHMH, A. T. OB~MHHMKOB,
6. C. IlOCnEJIOB, r. C. COJlOBbEB, A. C. CTMXMH, M. 6. WMnAHOB
(YpaJlbcKbIfi 3 J l e ~ ~ p O ~ b l ~ b I W C
K~ObM
l f i~ H H ~ T ,
r. H0~0ypaJlbCK)
I
WMX CneqMaJlMCTOB MHOrMX CTpaH o6pa-
AyloulMe 50 JleT ~ O T ~ ~ ~ HB 3HeprMM
O C T ~ B MM-
T M T ~npMc-ranbtioe BHMMaHlne H a anb-
pe
TePHaTMBHyto 3HepreTMKy, FlBJlFleTCFl HeM3-
~ABOMTCFI,
POCTa
ee
a npM cyqec-rsytouyx
TeMnax
flo~pe6neHMFlpa3BeAaHHblX 3ana-
COB H ~ @ T M
XBaTMT Ha 45-50 neT2( ~ M c . 1).
B MMpe B
6 n m x a i u ~ eAeCFlTMJleTMR. T ~ nKo ~ p e 6 H o c ~ b B O ~ M O X HB
~bIXM
OAOM 1/13 Ha@MratotqerOCWA B aneK-rpoaHeprw M H ~ @ T MnpoAonxa- c ~aHepreTwecKoro
l
K P M ~ M CFlBnFleTcg
~
paseT PaCTM r0A OT rOAa, M y,lJ,OBJleTBOpeHMe ee
BMTMe anbTepHaTMBHblX MCTOCIHMKOB 3HeprMM
npoMcxoAMT 3a cqeT ~ o s p a c ~ a t o q e MMnopro
M, B nepByto orepe,qb, ~ o ~ o p oaHepreTM~ ~ o i
6exHbli POCT 3Hepr0n0Tpe6JleHMFl
Ta 3HeprOpeCypCOB. KOJ~MCI~CTBO
H ~ @ T M ,He-
EC B HaCTOFltqee BpeMFl MMflOpTMpyeT OKOqM@pa repe3 20-30
JET MOXeT B03PaCTM A0
'United Technologies marketing information, Joe
Staniunas, 1994, based on US Department of Commerce Statistical Abstracts of the United States, 1993.
1930
1950
1970
1990
2010
KM, ~HMxatotqefi3KOnOrMCIeCKYtO HarPY3KY H a
HOrO aBT0CanOHa B
A ~ T P OB~RHBape
T ~ 2002 r.
M PYKOBOAMTeJlM General Motors, Ford M
Daim-
* ~ a ~ e p M a n~ba~y r t i o - n p a ~ ~ u v eKc ~Oo Hi ~ ~ ~ ~
' H a y r ~ o - ~ e x t i ~ v e c ~MaH
n @ O P M ~ ~MM Rp e m a ~ "
a,
M O C K B 9-1
~ , 1 AeKa6pR 2002 roAa, MPL/ PA0 'Tasn p o ".~ M .A. Weiss, J/B/ Heywood.
Comparative assessment of fuel cell
cars, February 2003, MIT LFEE
200340 1 RP, http://ifee.mit.edu/C.E.
Thomas, Brian D. James, Frank D.
Lomax Jr, Ira F. Kuhn. Fuel options for
the fuel cell vehicle: hydrogen, methanol or gasoline? Directed Technologies, Inc, 4001 North Fairfax Drive,
Suite 775, Arlington, Virginia,
22 203, USA, International Journal
of Hydrogen Energy 25 (2000) 55156 7.
2030
2050
roA,,
/
pnCm
A06bl~a~ e t p r nB Mnpe
~o 2050 r. (nporn03).
H ~
~ O ~ ~ W M H C T B aHaJlMTMKOB
O
B HaCTOgqee
BpeMg
yxe
CO~ABHMFIAewesoro M
npueunehnoro Ang 60p-
cornawatoTcR, rTo ~cnonb30ea- TOBOrO MCIlOrlb30BaHMFI 6eH3klH0~0r0PM@OP-
HMe rMCTOr0 BOAOPOAa FlBnFleTCFl rlpeAflOr-rMTenbHblM C TOrKM 3PeHMR CHMXeHMR CnOXHO-
Mepa.
O~cmfiacne4ye-r e b ~ e orTo
~ , n o n y r a n BO-
CTkl M CTOMMOCTM 3HeprOyCTaHOBKM (3Y) aBTO-
AOpOA
~ 0 6 ~ ~ 7B
5 1C
..laCTHOCTM, K
YCTaHOBKaX, He npeAbHBflRKllL(MX XeCTKMX
TaKOMY BblBOAY
~p?flec006pa3~e61
Ha CTaqMOHapHblX
npMwnM cneuklanmc-rbl Directed Technologies,
Inc, (CWA) KoTopble I ~ P O ~ H ~ ~ M ~ M PKrItoO B ~
CT
MM
AJlR 3HeprO~
IM
MKaM. ~ C T O ~ H M K ~BOAOPOAa
reBble @ ~ K T O P ~ COllPOBOXAatOU(Me
I,
MCnOnb-
YCTaHOBOK H a T 3 MOryT 6 b l ~ b
yrnepOAOCOAep-
T P ~ ~ O B ~KHMM~ ~C C O ~ ~ ~ ~ ~XapaKTepklM T H ~ I M
xaqMe BeqecTBa M BoAa.
~ o n n ~ e ~ o Ki yrnepoAocoAepxaqklM BeqecTBaM OTMH@P~CTPYKTYP~I
M ~ ~ H B ~ c T B
M ~Hee;
M ~ 803- HOCFITCFI He@Tb, ~ ~ P M P O A H
ra3,
~ I ~YrOnb
~
(HeAyudtioe s a r p ~ s ~ e ~ lon~ep y x a t o q e icpeAbl; B O ~ O ~ H O B ~ ~ F ~6 ~~ M
o~a
I ~c)c(C
, a nepepa6o-rTenJlOByK3 3MMCCMrO; H ~ @ T F I H O
klMnOPT;
~~
Ha4MK O B
~ M ~ T ~ H BOAOPOA
).
M3 3TklX MCTOqHMKOB
30BaHMe Ha aBT0~06MflePa3flklCIHOTO TOIlnMBa, BKntorag CTOMMOCT~Tonnma,
OHanbHyto ~ ~ ~ o I ~M~
CPOK
c H
cnyx6bl.
o c T ~
flOJly11aK)T, KaK npaBMn0, nyTeM KOHBepCMM
TonnMsa
~ r a ) npln B ~ I C O K OTeMne~
H~CMOTPR
Ha 3HaLIMTenbHble @ M H ~ H C O B ~ I ~ ( p ~ @ o p ~ ~
B O~A ~eI . ~
H~O~XOAMM~
3aTpaTbl Ha pa3pa60TKy 6op~osoro
pM@opMe- paType c ~ 0 6 a s n e ~
c~
pa B PaMKaX IlpOrpaMMbl Pa3BMTMFI ~ B T O M O ~ M - TeMnepaTypa npouecca 0 6 e c n e r ~ s a e ~3a
n e i H a T2I3, cTaHoslnTcg Bce donee oreswA- CreT CXMraHMFI raCTM TOllflMBa. 1 1 0 f l y ~ a e ~ b l ~
H ~ I M , TO
pa3pa6a~bleae~blep ~ @ o p ~ e p bB
lOAOpOA 3arpR3HeH 60nbLLlMM KOflMLleCTBOM
6eH3MHa no MHOrklM napaMeTpaM He CTblKYtOT-
CFI C B03MOXHOCTbKl MX MCnOflb30BaHMR B
Acom Park Giudance for Transportation's Technologies: Fuel Choice for Fuel cell Vehicles, Final Report.
2002, Arthur D. Little, Inc (TIAX). Cambridge, Massachusetts. 02140-2390.
FY 200 1, Progress Report for Fuel Cell Power Systems, U.S. Department of Energy Office of Advanced
Automotive Technologies. 1000 independence Avenue, S. W., Washington, D.C. 20585-0121, Approved
by Steven Chalk, November 20,2001.
OpraHM'-tec~MC?KOMnOHeHTbl
~YCIUIM~
BapMaHT
Tier II
ULEV
SULEV
EZEV
TaKMX
I l p M ~ e c eKaK
i
C 0 2CO,
(npo~onxe
HM~)
Schautz M., Dudley G., Baron F., Popov V., Paspelov 8.
Testing of a Buran Flight-Model Fuel Cell // ESA Journal,
1994, Vol. 18, pp. 129-137.
Arshinov A.N., Vaskov N.I., Golin Y.L. et a/. The Electrochemical Direct Current Generator for Space System Buran // lnt. J. Hydrogen Energy, Vol. 20, NQ I , pp. 59-63,
1995.
Arshinov A., Matryonin V., Kozin V. et a/. Results of the
Long-Term Testing of the "Proton" Fuel Cell Generator //
lnt. J. Hydrogen Energy, Vol. 2 1, NQ 4, pp. 293-298, 1996.
co
(VOCS)
NOX
B ~ P O F I T H ~ I ~ ~ Y C I L L I M ~ ~ B ~ P O R T H ~nI y~ c
BapMaHT
KOTOPble ~ e o 6 -
BapMaHT
BapMaHT
l ~ ~ f i Be~0RTHblfi
BapMaHT
BapMaHT
XOAMMO YAaflRTb.
K P O MTOrO,
~
IlOJlyreHMe
BO-
JlMreHMtO AOnM npOM3BOACTBa 3neKTpOnM3HO-
norMrecKMx n p o 6 n e ~TaK M, B nepcnemme,
npo6ne~bl0 6 e c n e r e ~T~P~~ ~ Y ~ M ~3anaI M M
Mcnonb3osa~~e
KMcnopoua
B aHeproycTaHoeKax
a e ~ o ~ o 6 ~ nHae T3
k
CaMM yrJleBOAOpOAHOr0 TOnflMBa.
B
~a6nMqe1
npMseAeHo KonMrecTsetlHoe
CpaBHeHMe ra3OBblX B ~ I ~ ~ O C3HeprOyCTaHOO B
BOK, rlMTaeMblX BO,4OPOAOM, nOJlycleHHblM pa3JlMCIHblM C ~ O C O ~ O M C, ~ M M C C MABMraTeflR
~ ~
BMAHO,
rT0 CTaHAapTaM SULEV M EZEV (CWA) no opraHMrecKlnM
BHyTpeHHerO CrOpaHMR.
KOMnOHeHTaM COO-rBeTCTByeT JlMWb 3HeprOYCTaHOBKa
(3Y)
H a rMCT0M BOplOpOAe.
1/13 BOAbl BOAOPOP, MOXeT 6 b l ~ bnOnyreH
nyTeM a n e ~ ~ p o n ~ TO
a a ecTb
,
c
~cnonbsosa-
HMeM 3neKTPM'4eCKMX hCTO'4HMKOB 3HeprMM.
K TaKMM
MCTO'iHMKaM OTHOCFlTCFl COFIHeLIHble,
BeTpRHble, IlpMnMBHble M rM,4P03neKTPOCTaH4MM
(B
(~0306~0BflFle~ble
MCTOCIHM KM),
6 y ~ y q e M , BOBMOXHO,
M
A3C
TePMORAePHble
3ne~-rpoc~a~q
Ilo
hn
~y) q
. a e ~ b ~sohopop,
i?
rlpM
B ~ B T O M O ~ M ~ 3HeprOyCTaHOBKe
~ ~ H O ~
H a OC6a~apeMT O ~ ~ M B H ~~JI ~X~ M ~ H T oK B ~, MKB
JlBC M n M sene, B KaqecTse oKmxwmenR
HOB^
CTPeMFlTCFl MCllOflb30BaTb ~ T M O C @ ~ P H
KMC~I~
nopoA. C o ~ e p x a ~KMcnopoAa
~e
B sos~yxe,
KaK M3BeCTH0, OKOnO 21%. B O ~ A YBO
X BPeMFl
pa60-rbl O ~ ~ I C I HI'IPOKaLIMBaeTCR
O
clepe3 6 a ~ a pet0 TOnflMBHblX 3neMeHTOB C T ~ K O
CKOPO~
CTbtO, r ~ 0 6 b lK O ~ C # I C # I M ~ M ~ H T llOne3HOr0 MCn o n b s o s a ~KMcnopoAa
~~l
nexan B
0.4-0.6.
npeAenax
A n R 0 6 e c n e q e ~pecypca
~~
pa6o-rbl
TOIlflMBHblX
3JleMeHTOB OH
npeABapMTeJlbH0
a B PRAe
AOflXeH
r n y 6 o ~ oOrMu(eH OT
6bl~b
nblnbl,
CnyraeB AnFl IlOBblWeHMFl 3@C#le~-
TMBHOCTM T 3
elqe
M
cxaT ,qo AasneHw 0.2-
0.4 Mna.
3neKTp0nM3enpaKTMqecKM
cso60~enOT npMHo BO3Ayx CoAepXHT HeKoTopoe KoflHre~ e c e i a, c a ~ o er n a ~ ~ o TO
e , O A H O B P ~ M ~ H H O CTBO yrneKMcnoro ra3a, ~ b 1 3 b 1 ~ a m qBe cnyro
~ b l p a 6 a ~ b l ~ a TaKxe
e ~ c f l I4 ' 4 ~ ~ ~KMCflOPOA.
blfi
CIae lq~florHblXT 3 ~ a p 6 0 ~ ~ 3 a q M
3neKTpOt0
H a n p ~ M eB~ CUJA
,
onpeAefleHHblx pai?()- nMTa M ~ ~ I C T PCO
HM
~XeHMe XapaKTePMCTMKM
HOB '4aCTb BOAOPOAa nnaHMpyeTcfi noflyqa'rb 3neMeHTOB. TO 3aTPYAHReT MX KOMMepLTeMCKfltOrMTeflbHO C nOMOU\bK)3fleKTPMrecTBa cKoe npmMeHeHMe, XOTF~OHM AocTa-rowo npo-
M M ~ O B ~ Isanacos
X
Ba,
ero
CTOMMOCTM,
yrneeoAopoAHoro Tonnunepe6oee c nocTasKaMvl.
H ~ I X~ a r p y 3 0npLn
~ s ~ a r ~ ~ e n
donee
b ~ oTonc ~ o ~i e ~ 6 p a a~ TaKxe
e,
pecypc, yAosne-
K ~ P ~ O H M ~ ~
3fleKTpOflMTa
~ M M
-c- T3 "~IoToH",
H2-02, 0.7
Mna
. T3 "~IoToH",H2-02, 0.4 Mlla
OTCyTCTByeT B KMCflOTHblX T3,
M 3T0 OAHa M
3 OCHOBHblX rlph-
2
qMH,
E
O~~C~~OBMB
MHTeHU.II/IX
CHBHYK) p a 3 p a 6 0 ~ ~T3nOM
y
$
nocneAHee BpeMR. T ~ H
Me
MeHee, B cnyrae c T3nOM1
I-IPM 3 ~ c n n y a ~ a q3
~X
mr B ro- fa
poAe, B O ~ A Y X , n o ~ a ~ a eB~ b ~
Hero, T a m e H ~ O ~ X O A M MoOw - X
B
a
Y
m
i
MOWHOCT~
H a B x o A e npM n o n ~ o Hai
r p y s ~ e 2, 0 ° C o ~ p y x a m q B~Oi ~ A Y X
Knfl ~ o ~ n p e c c o p a / a ~ c n a ~ ~ e p a
n p M nOflHOM nOTOKe
KnA ~0~1-1peccopa/3~cna~,qepa
npM 2 0 - 2 5 % nOTOKa ( K O M ~ ~ ~ C C O ~
npM CTeneHM CXaTMFI 1 . 3 , a K C n a H A e p
n p M c - r e n e w c x a T M R 1 .2)C
0 6 b e CMCTeMbl
~
B e c CMCTeMbl
CTOMMOCT~
CMCTeMbl
U l y npM
~ MaKCMMaflbHOM nOTOKe
( 6 e 3 y r e T a wyMa B O B A ~ U J H O ~ O
n O T 0 K a Ha BXOAe M B ~ I x o , ~ ~ )
U e p e x o ~ x~a pa a~K T e p M c T M K a , q n ~
1 0-1 9% MBKCMM. nOTOKa 6 0 3 A y X a
K ~ o Toro,
M ~ npM nepexop,e H a KMcnopop,
OTnaqaeT H ~ O ~ X O , ~ M M OBCAOPOrOCTOFIqeM
T~
M AaneKO H e ~ ~ C W ~ M HKOMl-IpeCCOpe
O M
BO3Ay-
COKaR CTOMMOCTb. MOXHO
OTMeTMTb, qTO B q O -
KnWe 3a 2004 r. M M H M C T ~ ~ C
3HepreTMKM
-~BO
CwA KOHCTaTMPYeT, '4TO C03AaTb IlpMeMJIe-
Xa. ~ o c J ~ ~ , D , H KaK
M ~ , 6bln0 HaMLl OqeHeHO, He
Mbti
no~pe6n~
10-1
e ~soh MOWHOCTM 6T3,
HO M co34ae-r n p o 6 n e ~ bTennosoro
1
xapamepa ~ 3 - 3 apasorpesa ~ o s ~ y npM
x a KoMnpeMMpoeaHwul. He~anosarn~a
M np06ne~aB ~ I C O -
n p e c c o p - 3 ~ c n a ~ noKa
~ e p e q e He yAanocb.
TOJlbKO
MCnOJlb30BaHM5l B ~ B T O M O ~KO
MMJ- I ~
B cnyrae
~ c n o n b s o ~Ba ~
KarecTse
~ ~
OKMCnMTenR KMCflOpOfla CTaHOBMTCR HeHyX-
H O CMCTeMa
~
OrMCTKH B03flyXa OT nblnH, OT
K O ~ I CTOMMOCTM K O M I - I ~ ~ C C O ~ ~ - ~ KaC I C
~0
~ 2HLl~ OT
, ~ ApyrMX
~ ~ ,
BPeAHblX npkl~ecei,COAep-
'!
xaqMxcR B r o p o ~ c ~ ao ~i ~ o c a e p e
I l .n a ~ o i i
MblMM AJlR ~ O ~ T O B OMCflOJlb3OBaHklR
~O
XapaK3a nepexop, H a Kvlcnopop, RsnnloTcn nonsneTePMCTMKaMM. T ~ ~ ~ O B ~M
HHM
HM
FC
I T ~ P C THMe
B ~ H a ~OPT)I ~ B T O M O ~ M J ~eMKOCTM
R
C KMCJlO3HepreTMKM CUIA K ~ O P T O B O M YKOMnpeCCOPOgOM, H ~ O ~ X O , ~ M M O C TC
~O3AaHMn wH!$papy-3KCnaH@py Ann ~ B T O M O ~ M ~ ~CMH ~ I CTpyKTypbl
X
3anpaBOqHblX KMCJlOPOAHblX CTaHCTeM H a T 3 MOqHOCTbK)80 KBTnPMBeAeHbl qnA IA peweHMe aonpocos 0 6 e c n e r e ~ ~ n
B Ta6n~qe
2.
6e3onac~oc-r~
3 ~ c n n y a ~ CMcTeMbl
a q ~ ~ xpatieM c x o ~ , ~3
~ npeAcTaeneHHblx B ~ a 6 n ~ q e
HMR Kmcnopoga. B Hacronqee BpeMn y x e coAaHHblx cnep,yeT, rTo ~ a ~ d o n e
Ke
P M T M ~ H ~ I M3AaHbl JlerKHe KOMnaKTHble eMKOCTLl AJlR Xpa- 6
napaMeTpoM npM p a 3 p a 6 o ~ ~
Me
M ~ ~ O T O B ~ ~ HH
M eMH m KMcnopop,a c ~ c n o n ~ o s a
nopH~ ~ e ~
~o~npeccopa-a~cna~
nsnaeTcn
~epa
ero B ~ I -C T ~ I XMaTepManoB (rasapos).
T a K M ? CJlOMHOCTM M3rOTOBJleHMFI C IlpMeMJIe-
5
E.
5
I
M a c c a , Kr
1
0 6 b e ~n.
I
M a c c a , Kr
I
0 6 b e ~n,
C M C T ~OCILICTM ~ H ~ ~ ~ O C T ~~@T@O
~ K~TH
MB
OKM BO3AyXa
OT GO2
H a , H ~ B ~ I C O KCpOK
M ~ CnyX6b1,O ~ P ~ H M ~ ~ H
noM ~F Ie ~ n
PaTYPHOMy AMana3OHy 3KC-
e-
nnya~aqnn
25
35
-
~ H ~ B M O - ~ M , ~6 0- n b W M e AMaMeTpbl ~ p y 6
pasnMYecKaR
M AononHMTenbHble 3ne~e1-1CXeMa ( ~ 0 f l 0 J I - Tbl KOHCTPYK4MM
HMTenbHOe
ycna~~e~~e\
,
.
?
Pecypc, r
MO~HOC
3xr,
T ~ KBT
O ~ ~ H~PMBOAFIT
KM
K
3 a ~ n ~ r e ~TO
~ tTa0 ,
K O IlepeXOA
~
MOXeT 6blTb OflpaBAaH M3KOHO-
Z
o
MMVeCKM.
M KMCnOpOAa nOAXOfl K IlOCTpOeHMtO
o n ~ ~ ~ a nab~ ~e o
p ri
T ~ X H M W C K Y4eJle~006pa3~0~Tb
K)
3aMeHbl BO3AyXa H a KMCnOpOA H a
h
~ P M
MCIlOJlb30BaHMM 3JleKTPOnM3HblX BO-
flOPOAa
IlpMMepe
e ~ ~ r eqenorm
c ~ o i Aon-
XeH 6blTb MHblM IlO CpaBHeHMtO C MCnOnb3OBa-
SLUT3 3 X r "Q>OTOH" MnntOCTPMPYtOT Ta6nM4bl HMehn BoAopoAa, nonyraeMoro p e @ o p ~ ~ ~ r
3 M 4. f l n ~T3nOM ( ~ 0 ~ 0 p 0 f i - ~ 0 3 f i By ~Ta6)
yrneBO,4OpOAOB. K ~ K
yXe OTMeLlaJlOCb, nonMqe 4 npMseAeHb1 csepeHltn no 6a~apee CKOJlbKY npM3JleKTpOnM3e BOflOpOAa M3 BOAbl
"Mark 900" @ ~ p ~Ballard.
b i
Conoc~a~ne~
OfiHOBpeMeHHO
~e
IlOnyraeTCFl H ~ O ~ X O ~ ~KOM M O ~
napaMeTpos, npepcTasneHHblx B ~ a 6 n ~ qroe , JlMCleCTBO BblCOKOKaLleCTBeHHOrO KMCJlOpOAa,
Y
2 BOPMT 0 TOM, C1TO BOAOPOAHO-KMCJlOPOAHble er0 M CneAyeT MCnOnb3OBaTb AnSl OKMCneHMR
%:: 6T3 BYAYT,KaK MblHltMyM, B,@a pa3a MeHbLUe BOAOpOAa B 6T3. C M C T ~XpaHeHHFl
M~
CXaTOr O KMCJlOpO@ H a ~ O P T Y~ B T O M O ~ WIIOny'ia~R
b: no o 6 a e ~ yM, COOTBeTCTBeHHO, Jler'ie M AeWeBne BO,4Op0,4HO-B03,4yWHblX 6T3. COOT- eTcg donee ner~oG
M Aeuesoi, reM cMc-rehna
,
@~nbBeTCTBeHHO, 6 y ~ MeHbWe,
e ~
ner'ie, IlpOqe M noAroToeKM ~ o s ~ y x aBKntOratOqaR
m,
OCIMCTK~,oxnaxfieHMe. Kpogeuresne M BCR CMcTeMa o d e c n e r e ~pado~ ~ ~ p a q ~ cxame,
Tbl6T3,3HePrOyCTaHOBKa B 4eJlOM.
M e Toro, a n e ~ r p o n ~ 3 e
s p~ a r ~ ~ e npoqe
n b ~ o
M
E
5
5
ЭХГ «ФРЕГАТ-2» НА ЩЕЛОЧНЫХ МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТАХ
FREGAT-2 ALKALINE MATRIX FUEL CELL GENERATOR
Д.Г. Кондратьев, В.И. Матренин, А.Т. Овчинников,
Б.С. Поспелов, А.С. Стихин, В.Н. Тихонов
Уральский электрохимический комбинат, ул. Дзержинского, д.2, г. Новоуральск,
Россия, 624130, Факс: (34370) 94141, 57333, e-mail: condor@ueip.ru
УЭХК самое крупное в мире предприятие по изотопному обогащению урана для
атомных электростанций. На базе разработок, связанных с этим производством в 1967 г.
здесь была начата разработка
электрохимических генераторов (ЭХГ) на водородно-
кислородных топливных элементах (ТЭ).
История разработки ЭХГ на щелочных ТЭ (ЩТЭ) представлена в таблице 1.
Таблица 1
1969-1975 г.г.
1976-1992 г.г.
1993-2001г.г.
2004-2006 г.г.
Разработка и изготовление ЭХГ «Волна-20» (30 В) мощностью 1 кВт
с батареей щелочных ТЭ с циркулирующим электролитом (для РКК
«Энергия», г. Королёв, выпущено 192 шт.);
Разработка и изготовление ЭХГ «Фотон» (30 В) мощностью 10 кВт с
батареей щелочных ТЭ с матричным электролитом (для РКК
«Энергия», г. Королёв, изготовлено 120 шт.);
Разработан высоковольтный ЭХГ «Фрегат» (320 В) мощностью
10 кВт (для СКБК, г. Санкт-Петербург), изготовлен макетный
образец ЭХГ;
Для ЦКБ МТ «Рубин» разработан технический проект ЭХГ (320 В)
для ЭУ мощностью 300 кВт, изготовлен образец батареи (50 кВт).
Принципиальная схема работы щелочного водородно-кислородного топливного
элемента показана на рисунке 1.
На аноде происходит ионизация водорода с образованием воды. Половина
образующейся на аноде воды доставляется на катод для поддержания электрохимической
реакции. Другая половина испаряется в циркулирующий поток водорода и отводится в
конденсатор. Сюда же отводится часть выделяющегося в топливном элементе (ТЭ) тепла.
Оставшаяся часть тепла удаляется во внешний теплообменник циркулирующим через ТЭ
теплоносителем.
На катоде происходит ионизация кислорода с потреблением воды и образованием
ионов ОН– .
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
1
Для ускорения этих электрохимических реакций необходимы катализаторы. Реакции
протекают на границе трёх сред: твёрдое тело (катализатор) – электролит (КОН) – газ
(топливо – водород и окислитель – кислород).
В качестве катализаторов в щелочном ТЭ использовались Pt – на катоде и Pt-Rh – на
аноде, кроме того, их можно заменить на золото, серебро, никель. В полимерном ТЭ
используется только Pt или её сплавы.
Нагрузка (Load)
(Effective layer) Активный слой
2е
Пористая подложка (Porous substrate
или сетка
(Fuel inlet) Вход топлива
or grid)
Вход окислителя (Oxidizer inlet )
Н
О
Н2О
Н2+2ОН--2е
ЅО2+Н2О+2е
2Н2О
НО
ОН-
Выход обедненного
топлива и газообразных
циркуляция
водорода
продуктов
реакции
(Hydrogen
circulation)
(Anode) Анод
2ОН-
НО
Выход обедненного
окислителя
и газообразных
продувка кислорода
продуктов
реакцииpurging)
(Oxygen
Катод (Cathode)
Электролит (ионный проводник)
Electrolyte (ion conductor)
Рисунок 1 – Схема топливного элемента.
Fig. 1 – Fuel cell scheme
Составляющие щелочного ТЭ россыпью и в сборке (в составе батареи ТЭ)
представлены на рисунке 2.
Электроды представляют собой никелевую сетку с нанесённым на неё катализатором.
Матрица является электролитоносителем и представляет собой приготовленное
специальным образом асбестовое полотно, пропитанное электролитом (раствором КОН).
Каркас изготавливается из никелевой фольги и является арматурой для крепления всех
составляющих ТЭ. С одной стороны каркаса имеется полость для подачи и распределения
водорода равномерно по поверхности электрода, с другой стороны – полость для подачи и
равномерного распределения кислорода. Внутри каркаса имеется полость для прокачки
теплоносителя,
который
обеспечивает
необходимую
температуру
протекания
электрохимических реакций (85-100 оС).
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
2
Водородная полость
Полость теплоносителя
Кислородная полость
150
мкм
(Oxygen channel )
(Asbestos matrix)
Водородный электрод
Буферная токосъемная
пластина водородного
электрода
(Hydrogen electrode)
Токосъемная пластина
кислородного электрода
20 мкм
(Heat carrier channel )
Асбестовая матрица
Кислородный электрод
20 мкм
(Hydrogen channel )
(Buffer collector
plate of hydrogen
(Collector plate of
oxygen electrode)
(Oxygen electrode)
2 мкм
Паяный никелевый
каркас
(Brazed nickel frame)
Рисунок 2 – Слева - поперечный разрез
многоэлементной сборки щелочных ТЭ,
справа – составные части ТЭ (слева
направо): матрица, кислородный электрод,
токосъемная сетка, каркас, буферная
токосъемная
пластина,
водородный
электрод, матрица.
Fig. 2 – On the left - cross-section of multicell AFC assemblage; on the right – FC elements (left to
right): matrix, oxygen electrode, collector grid, frame, buffer collector plate, hydrogen electrode,
matrix.
Буферная токосъемная пластина, служащая для отвода тока от водородного электрода,
представляет собой пористый никелевый слой, который необходим для накопления
нарабатываемой в ТЭ воды. За счёт некоторого разбавления
нивелируются
неточности
изготовления
отдельных
ТЭ,
этой водой электролита
обеспечивая
тем
самым
идентичность их вольт-амперных характеристик, а также неточности и колебания условий
функционирования (температура, скорости газовых потоков, давление).
Токосъёмная пластина (или сетка) кислородного электрода служит каркасом для
электрода и обеспечивает отвод от него тока.
На рисунке 3 показан макет ЭХГ «Фрегат» на стенде в г. Приморске. Испытания
подтвердили заложенные в проект характеристики. В этом ЭХГ одна батарея ТЭ давала
полное напряжение и была опробована видоизменённая конструкция батареи с так
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
3
называемым средним фланцем, через который подводились реагенты и отводились продукты
реакции, что позволило снизить гидравлическое сопротивление и тем самым улучшить
характеристики ЭХГ. Работы были прекращены из-за
отсутствия финансирования.
Напряжение (Voltage)
– 190-320 В;
Максимальная мощность
(Maximum Power)
– 20 кВт;
Габаритные размеры:
(Overall dimensions)
– 500 х 600 х 1130 мм.
Рисунок 3 – Макет ЭХГ «Фрегат», разработанный для
водородно-кислородной установки мощностью 250кВт.
Fig.3. – FREGAT FCG mock-up designed for the 250- kW
hydrogen-oxygen plant.
Номинальная мощность
(Rated Power)
– 50 кВт;
Максимальная мощность
(Maximum Power)
– 55 кВт;
Пиковая мощность
(в течение 1 мин.)
(Peak Power, for 1 min.)
– 63 кВт;
Среднесуточная мощность
– 17 кВт;
(Daily average Power)
Минимальная мощность
(Minimal Power)
– 5 кВт;
Напряжение
(Voltage)
– 240-385 В;
Количество ТЭ
(FC number)
– 660 шт.;
Активная площадь одного ТЭ
(Active area of one FC)
– 176 см2
Рисунок 4 – Батарея для ЭХГ ЭУ «Кристалл 27ЭХГ».
Fig.4. – FCG stack for KRISTAL27ЭХГ Power Plant.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
4
Рисунок 4 дает представление о разработанной и изготовленной батарее для
энергоустановки «Кристалл 27 ЭХГ» [1]. Характеристики батареи приведены на рисунке.
Батарея не была испытана из-за прекращения финансирования. По результатам разработки
выпущен технический проект, защита которого была проведена в ЦКБ МТ «Рубин» в
сентябре 2006 г.
Результаты разработки по техническому проекту интересно сравнить с разработанной в
Германии энергоустановкой на полимерных ТЭ для подводной лодки проекта 212 [2].
Результаты сравнения наглядно видны из таблицы 2. Здесь же отмечено наличие исходных
материалов
и
уровень
отработки
в
России
ТЭ
с
протонообменной
мембраной
(ТЭПОМ) и ТЭ с щелочным матричным электролитом.
Таблица 2 – Сравнительные характеристики ЭХГ фирмы Siemens для подводной лодки и
ЭХГ разработки УЭХК.
Table 2. – Comparison characteristics of Siemens Power Plant for submarine application and UEIP
FCG.
Характеристика
SIEMENS, ТЭПОМ
УЭХК, ЩМТЭ
Мощность, кВт
35,4
55
Напряжение, В
52,4
240-385
Электрохимический
59/75
70/79
КПД, % (при
номинальной мощности
/ 20% от номинальной)
Габариты, м
0,5х0,5х1,6
0,55х0,78х1,66
Вес, кг
600
500
Ресурс, ч
Не указано (по результатам
6000-7000 (по результатам
испытаний единичного
испытаний ЭХГ «Фотон»),
элемента – 8000)
10 000 по результатам
испытаний батареи (128
элементов)
Состояние разработки
Прошли испытания в
Разработан технический проект.
составе лодки (проект 212).
Изготовлена батарея.
Принята на вооружение
Работы прекращены.
Наличие исходных
Отсутствуют
Есть в полном объеме
материалов в России
Уровень отработки в
Единичные
Основные научные,
России
экспериментальные
конструкторские и
образцы батарей
технологические решения
прошли полный цикл отработки
Из таблицы и рисунка 5 видно, что щелочной генератор УЭХК превосходит генератор
фирмы Siemens на ТЭПОМ по вольт-амперной характеристике, по массо-габаритным
характеристикам и по электрохимическому КПД.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
5
Что касается ресурсных характеристик, то в своих публикациях фирма Siemens
приводит результаты испытаний единичного ТЭ в течение 8000 часов и батареи ТЭ – в
течение 1000 часов.
Щелочные ТЭ, разработанные УЭХК, по результатам циклических испытаний ЭХГ
имеют ресурс 5000 – 7000 часов [3]. На новом катодном катализаторе в ходе испытаний
батареи ТЭ (128 элементов) показана возможность увеличения ресурса до 10000 часов [1].
1150
ВАХ ЩТЭ с матрицей толщиной 100 мкм, 0.2 МПа, начальная
(УЭХК); (Initial CVC of AFC with 100 µm matrix, 0.2 MPa (UEIP)
1100
ВАХ ЩТЭ с матрицей 400 мкм, 0.2 МПа, начальная (УЭХК);
CVC of AFC with 400 µm matrix, 0.2 MPa (UEIP)
ВАХ ЩТЭ с матрицей 400 мкм, 0.2 МПа, после 5037 часов (УЭХК);
Initial CVC of AFC with 400 µm matrix, 0.2 MPa, in 5037 hours (UEIP)
1050
Напряжение, мВ (Voltage, mV)
(Initial
ВАХ ТЭПОМ, начальная, 0.2 МПа;
(Siemens)
1000
(Initial CVC of PEM FC, 0.2 MPa
ВАХ ЩТЭ жидкостного, начальная (УЭХК);
AFC (UEIP)
(Initial CVC of fluid
950
900
850
800
750
700
650
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Плотность тока, мА/см2
(Current density, mA/cm2)
Рисунок 5 – ВАХ усреднённого ТЭ ЭХГ ЩТЭ УЭХК и БТЭ фирмы Siemens.
Fig.5. – Current-voltage curve (CVC) of averaged FC used in UEIP alkaline FC stack and Siemens
FC stack.
Отсюда же видно, что для щелочных матричных ТЭ исходные материалы в России есть
в полном объеме, а для ПОМТЭ они отсутствуют. Уровень отработки ЩТЭ и ПОМТЭ в
России также несравним: если по щелочным матричным ТЭ основные научные,
конструкторские и технологические решения прошли полный цикл отработки и были
доведены до опытно-промышленного производства (на УЭХК было выпущено около 300
генераторов «Волна» и «Фотон»), то для ПОМТЭ всё это ещё предстоит сделать.
Фирма Siemens отказалась от щелочного ЭХГ в пользу полимерного, поскольку имела
опыт разработки щелочного ЭХГ только с циркулирующим электролитом. УЭХК имеет
опыт разработки щелочного ЭХГ как с циркулирующим, так и с матричным электролитом.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
6
На рисунке 6 и в таблице 3 показаны внешний вид и сравнительные характеристики
ЭХГ с матричным («Фотон») и циркулирующим («Волна») электролитом. Их сравнительные
вольт-амперные характеристики приведены на рисунке 5.
Видно, что жидкостный ЭХГ сильно проигрывает матричному по вольт-амперным
характеристикам, по удельной мощности, несмотря на то, что рамки ТЭ «Волны»
изготавливались из магния, а каркас «Фотона» – из никеля, и особенно по ресурсу. Это и
заставило фирму Siemens при успешных, по заявлению фирмы [4], испытаниях щелочного (с
циркулирующим электролитом) отказаться от него в пользу полимерного.
Рисунок 6 – ЭХГ «Волна» (слева) и ЭХГ «Фотон» (справа).
Fig.6. – VOLNA FCG (left) and PHOTON FCG (right).
Таблица 3 – Сравнительные характеристики ЭХГ Фотон» и «Волна»
Table 3. – Comparison characteristics of VOLNA and PHOTON FCG.
Характеристика
Напряжение, В
Удельная мощность, кг/кВт
Основной конструкционный материал
Плотность тока при номинальной
мощности, мА/см2
Ресурс, ч
ЭХГ «Волна»
с циркулирующим
электролитом
27-37
65
магний
100
ЭХГ «Фотон»
с матричным
электролитом
27-37
14,5
никель
220
500 – 1 000
5 000 – 7 000
Из рисунка 5 видно, что начальная вольт-амперная характеристика полимерного ЭХГ
фирмы Siemens заметно уступает вольт-амперной характеристике щелочного ЭХГ УЭХК
даже после наработки последним в циклическом режиме более 5000 часов.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
7
Для сравнения здесь же показана вольт-амперная характеристика ЭХГ «Фотон» с
матрицей толщиной 100 мкм. Последняя кривая говорит о возможности улучшения
характеристик матричного ЭХГ за счёт снижения толщины матрицы (ТЭ ЭХГ «Фотон» был
разработан для толщины матрицы 400 мкм) – при наличии коррозионностойкого
катализатора, который уже изобретен на УЭХК и создана основа технологии его
изготовления [1].
Некоторые ведущие специалисты, например Timothy Armstrong, Dane Wilson, Lynn
Klett из Oak Ridge National Laboratory, Wayne Smith из Los Alamos National Laboratory, Nansy
Galland из DOE (США), анализировавшие по заданию правительства США в 2002 году
состояние дел в области ТЭ, считают, что «Щелочные ТЭ являются потенциально наиболее
дешевыми ТЭ, благодаря используемым в них материалам и технологическим процессам их
переработки. Они достаточно эффективны (КПД в системе 51%), могут работать циклически
и периодически находиться в состоянии хранения. Надежность щелочных ТЭ убедительно
продемонстрирована их более чем тридцатилетним использованием в космосе… Они
содержат
относительно
недорогие
составляющие
и
могут
быть
изготовлены
с
использованием простой техники на недорогих производствах.
Их низкая стоимость даже при небольших объемах производства позволит
использовать их в соответствующих нишах рынка до того, как будет возможно массовое
производство других типов ТЭ (с протонообменной мембраной, твердоокисных) с
конкурентоспособным уровнем стоимости» [5].
В 2003 году на ежегодном семинаре по ТЭ, проводимом в США, в котором приняли
участие не только американские ученые, инженеры, специалисты по экономическим
оценкам, но и ведущие ученые из других стран, было констатировано (при анализе хода
разработки ТЭПОМ), что «сложности, возникшие с проблемами обеспечения необходимых
удельных характеристик, ресурса и стоимости, оказались чрезмерными. Для преодоления их
требуются новые фундаментальные, широкомасштабные исследования и разработки, причем
во многих областях науки и на их стыках» [5]. Стоимость 1 кВт мощности современных
установок на ТЭПОМ составляет 10000 – 25000 € [4].
Наиболее объективно оценивает достижения в области полимерных ТЭ, на наш взгляд,
Министерство энергетики США (DOE), которое ежегодно выпускает обширный доклад по
прогрессу в области полимерных ТЭ. Данные по достигнутому и прогнозируемому ресурсу,
при испытании этих ТЭ в циклическом режиме, взятые из докладов DOE в разные годы и
приведены в таблице 4.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
8
Таблица 4 – Ресурс полимерных ТЭ при работе в циклическом режиме (по данным DOE):
Table 4. – PEM FC lifetime at cyclic mode (per DOE information).
достигнутый ресурс, ч
прогнозируемый ресурс, ч
2001
1000
2004
2005
2000
2000
1000
2007
2009
2010
5000
5000
5000
2001 [6]
2004 [7]
1000
2005 [8]
2007 [9]
> 500*
2000*
* Состояние по DOE, опубликовано на семинаре по ТЭ (Fuel Cell-2007) в Сан Антонио
(США), октябрь 2007 г
Самые свежие данные были опубликованы на семинаре по ТЭ в Сан Антонио (США)
15 октября 2007 г.; интересно, что здесь речь идет уже не о 1000 часов, а о ресурсе > 500 час
[9]. Что это значит, наглядно видно из рисунка 7 [10].
2
Рисунок 7 – Изменение напряжения БТЭ (ТЭПОМ, 5 кВт) во времени при j = 500 мА/см (по
данным Аргонской национальной лаборатории, США)
Fig.7. – FC stack voltage variation (PEM FC, 5 kW) in time at j=500 mA/cm2 (according to
Argonne National laboratory, U.S.).
Здесь же можно отметить, что фирма Gore, один из крупнейших производителей
мембраноэлектродных сборок для ПОМТЭ, в своём докладе фиксирует, что поставленные
цели на сегодняшний день не достигнуты, и заявляет о необходимости постановки
промежуточных целей [11].
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
9
На этом же семинаре (октябрь 2007 года) был распространён очередной доклад DOE за
2007г [10]. Рисунок 7 взят прямо из этого доклада. На одном графике рисунка показана
цикличность нагрузки. На другом – снижение напряжения во времени для плотности тока
500 мА/см2. Испытания проведены в Аргоннской национальной лаборатории, являющейся
центром по аттестации ТЭ для DOE. Из последнего графика наглядно видно, что после
800 часов испытаний наблюдается резкое снижение напряжения, свидетельствующее о
выходе ТЭ из строя.
Для сравнения на рисунке 8 показано снижение напряжения щелочного матричного ТЭ
при плотности тока 500 мА/см2 в процессе испытаний по циклическому графику нагрузки,
который приведён здесь же. Испытания проводились на ЭХГ «Фотон» при питании его
обычными баллонными водородом и кислородом, содержащими некоторое количество СО2,
СО и СН4.
За 5 000 часов напряжение усреднённого ТЭ понизилось на ~ 130 мВ. 75 % этих потерь
было возвращено при перезаправке ЭХГ чистым электролитом.
Верхняя прямая линия аппроксимирует снижение напряжения щелочного матричного
ЭХГ при работе на водороде и кислороде, не имеющих углеродсодержащих примесей.
950
после перезаправки (аппроксимация без карбонизации) (After
electrolyte replacing (approximation without carbonization)
эксперимент (в условиях карбонизации электролита
(Experiment (with electrolyte carbonization)
850
800
График суточной нагрузки
(Daily load diagram)
750
Ток, А (Current, A)
(Averaged FC voltage, mV)
Напряжение усредненного ТЭ, мВ
900
700
650
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Время, ч (Time, h)
600
0
1000
2000
3000
4000
5000
Время работы ТЭ, ч (FC operating time, h)
Рисунок 8 – Изменение напряжения БТЭ (ЩТЭ, 10 кВт) во времени при j=500 мА/см
2
Fig.8. – FC stack voltage variation (AFC, 10 kW) in time at j=500 mA/cm2.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
10
Таким образом проведенное сравнение показывает, что прогресса в увеличении ресурса
ЭХГ на ПОМТЭ нет уже в течение последних 7 лет, несмотря на огромные финансовые
затраты (миллиардов долларов) и привлечение к разработкам большого количества ученых в
различных странах мира.
Водородно-кислородный щелочной ЭХГ прошёл всесторонние проверки и испытания,
в том числе, и в Европейском космическом испытательном центре в Нордвайке (Голландия)
[12]. Все эти испытания прошли с положительным результатом. Так же с положительным
результатом прошли испытания разработанного на базе этих ТЭ ЭХГ «Фрегат» в
г. Приморске. Всё это, на наш взгляд, подтверждает работоспособность щелочных ТЭ в
самых разнообразных условиях функционирования.
Для испытания макета щелочного матричного ЭХГ в конкретных новых условиях с
риформером и очисткой водорода от посторонних газов может быть использована уже
изготовленная батарея мощностью 50 кВт для «Кристалла-27ЭХГ». Для проведения таких
испытаний необходимо доработать имеющиеся для ЭХГ узлы (клапаны, регуляторы
давления и температуры), разработать и изготовить новые узлы (инжекторы водорода и
кислорода, насосы для циркуляции теплоносителя и воды, теплообменник, конденсатор,
трубопроводы), создать стенд для проверки хотя бы основных электрохимических
характеристик. Наиболее трудоёмким узлом этого стенда является, как показывают наши
проработки, блок нагрузки на 50-100 кВт. Необходимо будет разработать и изготовить
автоматическую систему управления.
В течение 2007 г. на УЭХК была проведена предварительная проработка возможности
создания щелочного матричного ЭХГ «Фрегат-2» мощностью 330 кВт.
Рассчетная пневмогидравлическая схема этого ЭХГ представлена на рисунке 9, а полученные
в результате расчета выходные характеристики (исходные и через 6 000 часов) приведены в
таблице 5. Следует отметить, что приведенные в последней таблице КПД заметно меньше
КПД приведенных в таблице 2. Это обусловлено следующим – разработчики УЭХК считают,
что электрохимический КПД надо считать относительно верхней теплотворной способности
водорода, соответствующей 1,47 В (вода в ТЭ образуется в виде жидкости при 100 °С),
разработчики же фирмы Siemens считают этот КПД относительно нижней теплотворной
способности водорода, соответствующей 1,24 В (вода в ТЭ образуется в виде пара).
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
11
t4
t6
w1
(Gas-oil)
Θ2
t5
tW
РТ1
Газойль
w2
Δw2
t11
ПВС
w1
Охлаждающая
вода
Н1
(Cooling water)
ТО
БТЭ
αF2
αF1
ТК
αF5
w2−Δw2
РТ2
t1
ДТ1
αF4
αF 3
αF6
w1−Δw1
Н3
Н2
t3
w3
Θ1
t2
ДТ2
t7
t6
Н2 О
t12
t1
Δw1
Рисунок 9 – Расчетная пневмогидравлическая схема. ТО – теплообменник, БТЭ – батарея
топливных элементов, ТК – конденсатор, Н1 – насос воды, Н2 – насос теплоностеля, Н3 –
насос ПВС, ДТ1, ДТ2 – датчики температуры, РТ1, РТ2 – регуляторы температуры, ПВС –
пароводородная смесь.
Fig.9. – Design pneumatic-hydraulic circuit. HE - heat exchanger, FCS - fuel cell stack, C capacitor, P1- water pump, P2- heat carrier pump, P3 - vapour-hydrogen mixture pump, TS1, TS2 temperature sensors, TR1, TR2 - temperature regulators, VHM - vapour-hydrogen mixture.
Таблица 5 – Характеристики ЭХГ «Фрегат-2» (оценки)
Table 5. – FREGAT FCG characteristics (estimations).
420
360
330
112
Мощность, кВт
(в течение
(max)
(номин.)
(среднесут.)
1 мин.)
Плотность тока, мА/см2
496/595
416/479
382/427
121/125
Напряжение ТЭ, В
0,91/0,76
0,93/0,81
0,93/0,83
1,0/0,96
Ток ЭХГ, А
1389/1665
1165/1340
1069/1196
339/352
Напряжение ЭХГ, В
303/252
309/269
309/276
330/318
Потребление Н2, г/мин
289/347
242/279
222/249
71/73
Потребление О2, г/мин
2312/2776
1936/2232
1776/1992
568/584
Тепловыделение, кВт
258/393
208/294
192/254
54/60
КПД БТЭ, %
62,0/51,7
63,3/55,0
63,3/56,5
67,7/65,2
КПД ЭХГ, %
–
60,7/53,0
–
65,5/63,2
Примечание: начальные характеристики / характеристики через 6000 ч
33
(min)
34/35
1,1/1,0
95/97
349/339
20/20
160/160
13/15
71,4/69,2
–
Вольт-амперные характеристики ЭХГ «Фрегат-2» в начале и конце ресурса показаны на
рисунке 10.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
12
Напряжение, В (Voltage, V)
400
ВАХ ЭХГ "Фрегат-2" в начале ресурса (Initial FREGAT
FCG CVC)
ВАХ ЭХГ "Фрегат-2" в конце ресурса (через 6000 ч)
(Final FREGAT FCG CVC (in 6000 hours)
360
320
280
240
200
0
200
400
600
800
Ток, А
1000
1200
1400
1600
1800
2000
(Current, A)
Рисунок 10 - Вольт-амперные характеристики ЭХГ «Фрегат-2»
Fig.10. – FREGAT FCG current-voltage curves.
В
целях
сокращения
массогабаритных
характеристик
рабочую
площадь
ТЭ
2
целесообразно увеличить до 700 см (на ЭХГ «Фотон» эта площадь была равна 176 см2).
Предварительный внешний вид такой батареи показан на рисунке 11, а предварительный
габаритный чертеж всего генератора – на рисунке 12.
2
Рисунок 11 – Батарея топливных элементов для ЭХГ «Фрегат-2» (площадь ТЭ – 700 см ;
количество ТЭ –332 шт.; номинальная мощность батареи ТЭ (для ЭХГ мощностью 330 кВт)
– 83 кВт.)
Fig.11. – FC stack for FREGAT-2 FCG (FC area – 700 cm2, FC number – 332 pcs., FC stack rated
power for 330 kW FC generator – 83 kW).
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
13
Выполненная проработка показала, что ЭХГ «Фрегат-2» при соответствующем
финансировании может быть разработан в течение трех лет полностью на отечественных
исходных материалах.
Мощность 330 кВт (Power – 330 kW);
Масса 640 кг (Weight – 640 kg);
Срок использования – не менее 10 лет. Ресурс батареи в пределах
срока использования не менее 6000 часов
(Useful life is no less than 10 years. The stack lifetime within useful life
is no less than 6000 hours)
Рисунок 12 – ЭХГ «Фрегат-2». Габаритный чертеж (предварительный)
Fig.12. - FREGAT-2 FCG dimensional draft drawing.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
14
Список литературы
1
Изделие «Кристалл-27ЭХГ», Пояснительная записка к техническому проекту, 2004 г.
2
K.Strasser «H2/O2-PEM-fuеl cell module to air independent propulsion system in a
submarine», Handbook of Fuel Cell – Fundamentals, Technology and Applications Vol.4: Fuel Cell
Technology and Applications , pp. 1201-1214, 2003.
3
A.Arshinov, V.Matryonin, V.Kozin, A.Ovchinnikov, V.Popov, B.Pospelov, N.Vaskov
«Results of the Long-Term Testing of the «Photon» Fuel Cell Generator», Iut. J.Hydrogen Energy,
Vol.21, № 4, pp. 293-298,1996.
4
K.Strasser, «System design and applications», Handbook of Fuel Cell – Fundamentals,
Technology and Applications Vol.4: Fuel Cell Technology and Applications , pp. 774-788, 2003.
5
FY 2003 Progress Report, Hydrogen, Fuel Cell and Infrastructure Technologies Program,
U.S. DOE, 1000 Independence Avenue, S.W. Wachington, D.C. 20585-0121, Approved by Steven
Chelk, October 2003.
6
Fuel Cell for Transportation FY 2001 Progress Report.
7
Hydrogen Fuel Cell & Infrastructure Technologies Program (Multi-Year Research,
Development and Demonstration Plan), January 2005, pp. 3-71.
8
Hydrogen Fuel Cell & Infrastructure Technologies Program (Multi-Year Research,
Development and Demonstration Plan), January 21, 2006, p.3.4-12.
9
K.Wipke, S.Sprik, Y.Thomas, J.Kurtz, J.Garbak «Fuel Cell Vehicle Learning
Demonstration: First-Generation Vehicle Results and Factors Affecting Fuel Cell Degration, 2007
Fuel Cell Seminar & Exposition, Abstracts for Oral Presentations, p. 124, 2007.
10
FY 2007 Progress Report for the DOE Hydrogen Program. U.S. DOE. 1000 Independence
Avenue, S.W. Washington, D.C. 20585-0121, Approved by JoAnn Milliken, October 2007,
p.p.708-710.
11
S.Cleghorn, J.Kolde, Gore’s Development Path to a Commercial Automotive Fuel Cell
Membrane Electrode Assembly, 2007 Fuel Cell Seminar & Exposition, Abstracts for Oral
Presentations, p. 179, 2007.
12
M.Schautz, G.Dudley, F.Baron, V.Popov, B.Pospelov, Testing of a Buran Flight-Model Fuel
Cell, ESA Journal, Vol.18, pp/ 129-137, 1994.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2008г.
15
Заделы УЭХК в области электрохимических накопителей энергии
На УЭХК при разработке электрохимических генераторов тока на щелочных топливных элементах одновременно велись работы по электрохимическим щелочным накопителям
энергии и был создан научно-технический задел, который может быть использован в работах
по созданию генераторов водорода и кислорода высокого давления:
1 Разработаны, изготовлены и испытаны батареи, содержащие многоэлементные секции матричных электролизеров воды и топливных элементов, соединенных в один блок между двумя концевыми платами и имеющие общие контуры по газам и теплоносителю. В составе этих батарей были испытаны 7 вариантов анодных катализаторов электролизёра, изготовленных с использованием металлов платиновой группы. Область вольтамперных характеристик электролизёров с анодами, содержащими некоторые из исследованных катализаторов, приведена на рисунке 1. Они определены при температуре 95 °С и давлении 0,4 МПа.
По результатам испытаний был выбран оптимальный состав катализатора анодного выделения кислорода. Было показано полное отсутствие выноса из электролизеров электролита,
подтверждена возможность длительной работы многоэлементных батарей электролизеров
воды.
Напряжение, мВ (Voltage, mV)
2200
2000
1800
1600
1400
1200
150
300
450
600
2
750
900
2
Плотность тока, мА/см (Current density, mA/cm )
Рисунок 1 – Область вольтамперных характеристик электролизёров с анодами, содержащими
некоторые из исследованных катализаторов
Fig.1. – Current-voltage curve area of electrolyzers with anodes containing some of the tested catalytic converters.
2 Экспериментально исследован перенос электролита в многоэлементной батарее. В
результате было показано полное отсутствие переноса электролита по газовой фазе и очень
низкая скорость электрохимического переноса по тончайшим пленкам в коллекторе многов журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
2
элементной батареи (в многоэлементных батареях токи утечки, связанные с миграцией электролита, составляют 1-5 мкА).
3 Разработаны, изготовлены и испытаны многоэлементные батареи никель-водородных
аккумуляторов с общим газовым коллектором в едином прочном корпусе. Комплектующие
единичного никель-водородного аккумулятора аналогичны таковым топливного элемента, а
конструкция батареи построена с использованием основных технических решений, разработанных для батарей топливных элементов. Давление водорода в корпусе батареи никельводородных аккумуляторов в процессе заряд-разрядного цикла изменяется в пределах
0-12 МПа. Время непрерывной эксплуатации батарей в космосе составило более 8 лет. Исследование электродов, прошедших длительную эксплуатацию в батарее, показало их практическую неизменность.
4 Имелось опытное производство топливных элементов ТЭ-176 (рабочая площадь
176 см²), батарей топливных элементов и электрохимических генераторов тока на основе
этого типоразмера элемента. Было выпущено около 300 батарей по 128 элементов в каждой.
При необходимости производство может быть восстановлено.
5 Готовится производство опытных образцов топливных элементов ТЭ-700 (рабочая
площадь 700 см²) и батарей топливных элементов на основе этого типоразмера элемента.
6 Разработаны приборы для пневмогидравлических схем электрохимических генераторов на топливных элементах, обеспечивающие тепло- и массообменные процессы (влагоотделитель – увлажнитель (испаритель), регуляторы температуры, регуляторы давления, и
т.д.), которые могут послужить аналогами при создании ключевых приборов, обеспечивающих работу батарей электролизеров воды.
На основе этих заделов могут быть разработаны электролизёры высокого давления и
регенеративные системы, позволяющие как проводить электролиз воды, так и потреблять
полученные при электролизе водород и кислород в топливных элементах, преобразующих
эти газы в воду с одновременной выдачей электричества и тепла.
Электролизёры высокого давления
На УЭХК разработана математическая модель электролизёра высокого давления и проведены расчёты. Проведена предварительная проработка конструкции.
Батарея такого электролизера воды (БЭВ) конструктивно будет состоять из электрически последовательно соединенных электролизных ячеек (ЭЯ) количество которых определяется согласно заданными техническим заданием напряжением и производительностью по
водороду и кислороду. На рисунке 2 показан шлиф сборки из нескольких топливных элементов. Все эти комплектующие полностью аналогичны комплектующим электролизной ячейки.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
3
УДК.66.087
ВОЗМОЖНОСТИ УЭХК В ОБЛАСТИ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Д.Г. Кондратьев, В.И. Матрёнин, А.Т. Овчинников, Б.С. Поспелов,
Г.С. Соловьёв, А.С. Стихин, В.Н. Тихонов, И.В. Щипанов
Уральский электрохимический комбинат, ул. Дзержинского, д.2, г. Новоуральск,
Россия, 624130, Факс: (34370) 94141, 57333, e-mail: condor@ueip.ru
Введение
Известно, что из-за неравномерного электропотребления АЭС и ГЭС в ночные часы
имеют избыточную мощность. Как отмечается в статье [1], только Ленинградская АЭС в такие часы суток, когда нагрузка снижается, может выработать около 400 млн кВт.ч/год, а это
позволяет производить на современных электролизёрах ~ 8000 т водорода в год. Повидимому, аналогичная ситуация имеет место и на других электростанциях. Полученный водород наиболее экономично использовать в энергоустановках на топливных элементах (ТЭ).
При этом в этих же ТЭ целесообразно использовать и получаемый при электролизе кислород, поскольку, как показано в работах [2, 3], применение кислорода вместо воздуха на катодах ТЭ позволяет увеличить мощность этих энергоустановок при тех же массогабаритных
характеристиках в 3–4 раза, во столько же раз снизить расход драгоценных металлов, а также
заметно упростить их пневмогидравлические схемы.
Получаемые при электролизе газы для транспортировки в места потребления необходимо либо сжижать, либо компримировать. Наиболее простым для широкого применения
представляется компримирование. Чтобы избавиться от необходимых для этих целей компрессоров и дополнительных затрат энергии газы следует получать в электролизёрах высокого давления.
Кроме этого, в связи с наметившимися тенденциями создания альтернативной распределённой энергетики, использующей возобновляемые источники энергии (солнце, ветер,
приливы – отливы, биотопливо), важное значение приобретает создание регенеративных систем, в которых с помощью электролиза под воздействием природных факторов нарабатываются водород и кислород, а при их отсутствии электрическая энергия вырабатывается в топливных элементах за счёт использования наработанных газов.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
1
Сборочными единицами батареи являются пористая матрица и биполярный электрод. В последний входят: каркас с полостью теплоносителя; с каркасом прочно скреплены токосъемные пластины, а также катод и анод. Внешний вид перечисленных комплектующих показан
на рисунке 3.
Водородная полость (Hydrogen channel)
Полость теплоносителя (Heat carrier channel)
Кислородная полость (Oxygen channel)
Пористая матрица (Porous matrix)
Катод (Cathode)
150
мкм
Токосъемная пластина катода (Cathode collector plate)
Токосъемная пластина анода (Anode collector plate)
Анод (Anode)
20
мкм
20
мкм
2
мкм
Паяный никелевый каркас (Brazed nickel frame)
Рисунок 2 – Поперечный разрез многоэлементной сборки электролизных ячеек.
Fig. 2. – Cross-section of multicell Alkaline Electrolysis Cell (EC) assembly.
Рисунок 3 – Составные части ЭЯ (слева направо): матрица, анод, токосъемная пластина,
каркас, токосъемная пластина, катод, матрица
Fig.3. – EC elements (left to right): matrix, anode, collector plate, frame, buffer collector plate, cathode, matrix.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
4
Вода для электролиза подается в батарею динамическим способом путем циркуляции
побудителем расхода (ПРВ) паро-водородной смеси через испаритель (ИВ) и БЭВ. За счет
разности температур и концентраций электролита пары воды, конденсируясь в БЭВ, пополняют воду, израсходованную на электролиз. В условиях изменяющегося давления в широких
пределах (0-35 МПа) ПРВ поддерживает требуемый объемный расход паро-водородной смеси в зависимости от внешней нагрузки. Поскольку в БЭВ вода подается в виде пара, то к ней
не предъявляются жесткие требования по чистоте.
Оценки, полученные расчетным методом для давления 35 МПа, показали, что эквивалентные токи утечки за счет взаимной диффузии газов через пористую (пористость ~60%)
мембрану, заполненную электролитом, толщиной 0,3 мм, составляют 0,4 А или менее 1 % от
величины рабочего тока.
На базе двух типоразмеров ЭЯ площадью 176 и 700 см2 возможна разработка БЭВ для
генератора водорода и кислорода с широким спектром производительности (таблица 1). При
расчётах принято: анод с выбранным катализатором обеспечивает вольт-амперную характеристику по рисунку 1, плотность тока 320 мА/см2, температура 98 °С, давление 35 МПа.
Таблица 1
Значение для типоразмера ЭЯ, см2
Количество
ЭЯ, шт.
10
20
30
40
50
100
150
200
250
300
350
400
176
количество гепотребляемая
нерируемого
мощность, кВт
водорода,
нм3/час
0,87
0,235
1,75
0,47
2,62
0,706
3,49
0,94
4,40
1,78
8,74
2,35
13,11
3,53
17,48
4,70
21,84
5,88
26,10
7,06
30,58
8,24
34,95
9,41
700
количество гепотребляемая
нерируемого
мощность, кВт
водорода,
нм3/час
3,47
0,936
6,95
1,87
10,43
2,81
13,90
3,74
17,38
4,68
34,75
9,36
52,13
14,04
69,51
18,72
86,88
23,40
104,30
28,08
121,60
32,76
139,00
37,44
Примечание – производительность БЭВ по водороду номинальная, рассчитанная на длительный режим
работы. Максимальная производительность в короткие промежутки времени (до 15 минут) может быть
увеличена вдвое.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
5
Регенеративная система
На УЭХК в предварительном плане проработаны два варианта регенеративной системы.
Первый вариант регенеративной батареи топливных элементов и электролизера воды
может состоять из двух секций, объединенных в единый конструктив с общими концевыми
пластинами (далее такая батарея будет именоваться БРР). Одна из секций этой батареи представляет собой электрически последовательно соединенные ЭЯ, другая – электрически последовательно соединенные топливные элементы. Секции электролизных ячеек (СЭЯ) и топливных элементов (СТЭ) имеют общие контуры по водороду, кислороду и теплоносителю.
Количество ЭЯ и ТЭ в секциях определяется мощностью внешнего источника тока для электролиза воды и электрической мощностью в режиме генерирования энергии соответственно.
Единичные ЭЯ и ТЭ аналогичны друг другу за исключением пористой структуры электродов
и катализаторов, применяемых для их активирования. В том и другом случае в качестве
электролитоносителя применяется одинаковая пористая мембрана.
В режиме генерирования энергии СЭЯ находится на холостом ходу, а СТЭ работает как
электрохимический генератор. В режиме электролиза для снижения коррозионных процессов (исключение режима холостого хода) секция топливных элементов находится под небольшой (на порядок меньшей, чем у СЭЯ) нагрузкой, т.е. генерирует энергию и потребляет
часть выделяющихся в электролизере газов.
Во втором варианте регенеративной системы одни и те же элементы поочерёдно работают в режиме электролиза или генерирования тока (далее этот вариант батареи будет именоваться реверсивная БРО). Она выгодно отличается от батареи по первому варианту. Вопервых, большим КПД, так как нет необходимости в небольшой нагрузке СТЭ во время работы батареи в режиме электролиза. Во-вторых, большей удельной мощностью и меньшей
материалоемкостью из-за существенно уменьшенного количества элементов.
Однако основная сложность разработки второго варианта регенеративной батареи
(объединённой) заключается в создании бифункционального катализатора кислородного
электрода и коррозионностойкого покрытия биполярного каркаса, работающих в широкой
области потенциалов (0,8-1,7 В).
Заделы по решению этих вопросов на УЭХК имеются. Уже разработан катализатор, который может как электровосстанавливать кислород, так и выделять его в режиме электролиза. Однако в режиме работы кислородного электрода ТЭ, его эффективность пока уступает
стандартному платиновому катализатору (рисунок 4). Также требует решения вопрос защитного покрытия – как показали проведённые эксперименты, даже золото недостаточно
в журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
6
стойко с точки зрения коррозии в этих условиях. Таким образом, на сегодняшний день, неочевидно, что вариант объединенной регенеративной батареи будет существенно эффективней раздельного. Окончательное решение по этому вопросу можно принять после проведения соответствующих научно-исследовательских работ.
1120
Напряжение, мВ (Voltage, mV)
1080
1040
Pt
катализатор для ЭЯ
1000
960
920
880
840
800
760
0
200
400
600
800
1000
Плотность тока, мА/см2 (Current density, mA/cm 2)
Рисунок 4 – ВАХ ТЭ, укомплектованных катодами с платиновым и разработанным для ЭЯ
катализатором
Fig.4. – CVC of FCs fitted with cathodes having platinum catalytic converter developed for ECs.
Литература.
1 Рязанцев Е.П., Чабак А.Ф., Ульянов А.И. Наработка, хранение и использование водорода на АЭС // Атомная энергия. 2006. Т 101, вып. 6, стр.420-429
2 Голин Ю.Л., Кондратьев Д.Г., Матрёнин В.И., Овчинников А.Т. и др. Водороднокислородный электрохимический генератор для электромобиля.// Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 4, стр. 42-49.
3 Кондратьев Д.Г., Черепенин В.А., Поспелов Б.С., Овчинников А.Т. Выбор топлива и
окислителя для топливных элементов энергоустановки электромобиля.//Альтернативная
энергетика и экология. 2005. № 4(24), стр.58-64.
в журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2008 г.
7
УДК.66.087
КАРБОНИЗАЦИЯ И ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ ЩЕЛОЧНЫХ
МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Кондратьев Д.Г., Матренин В.И., Овчинников А.Т., Поспелов Б.С., Потанин А.В.,
Стихин А.С., Шихов Е.Г., Щипанов И.В.
Уральский электрохимический комбинат, г. Новоуральск, Россия
факс (34370) 5 71 67, e-mail: pasha@ueip.ru
Поступила в редакцию «___» ________ 2008г.
Аннотация
Рассмотрены некоторые вопросы карбонизации и декарбонизации щелочного
электролита в матричном топливном элементе (ТЭ). Показано, что существует
равновесный предельный уровень карбонизации, зависящий от содержания СО2 в
поступающих в топливный элемент газах и от электрической нагрузки ТЭ.
Декарбонизация электролита происходит при повышении тока нагрузки на ТЭ, при этом
СО2 выделяется со стороны водородного электрода. Предложены возможные механизмы
карбонизации и декарбонизации электролита.
Результаты
длительных
испытаний
щелочного
матричного
электрохимического генератора (ЭХГ) «Фотон» и модулей топливных
элементов (ТЭ) с аналогичными элементами показали, что карбонизация
электролита
вносит
весьма
существенный
вклад
в
деградацию
вольтамперной характеристики (ВАХ) щелочного ТЭ даже при работе на
достаточно чистых водороде (водород технический, содержание Н2 – 99,9 %)
и кислороде (кислород технический, содержание СО2 в 1 дм3 жидкого О2 –
менее 2 см3) [1]. В этих экспериментах через ~5000 часов около 41,5% КОН
переходило в К2СО3, а потери напряжения достигали 90 мВ при плотности
тока
~220 мА/см2.
75 %
этих
потерь
удавалось
вернуть
простой
перезаправкой чистым электролитом.
Специально проведённые эксперименты при использовании газов с
заданным содержанием СО2 в Н2 (таблица 1) и О2 (таблица 2) при удалении
всей наработанной воды водородом, увлажнённым при температуре
65…68 оС, показали, что К2СО3, образующийся в электролите, имеет
тенденцию накапливаться только до вполне определённого равновесного
1
в журнал «Электрохимическая энергетика», 2008 г.
предела, и ТЭ при этом работает устойчиво (без колебания напряжения).
Уровень этого насыщения пропорционален содержанию СО2 в рабочих газах
и обратно пропорционален плотности тока нагрузки.
Таблица1 – Карбонизация электролита в присутствии СО2 в водороде
Плотность
тока, мА\см2
% карбонизации электролита при концентрации СО2
в водороде (%об.), поступающем в ТЭ
.
1,2 10-5
1,0
4,0
108
75
89
95
215
46
70
86
430
28
52
78
Таблица 2 – Карбонизация электролита в присутствии СО2 в кислороде
Плотность
тока, мА/см2
% карбонизации электролита при концентрации
СО2 в кислороде (%об), поступающем в ТЭ
10-4
0,34
1,24
108
79
80
83
216
44
58
66
432
25
38
54
Судя по тому, что карбонизация проходила при наличии СО2 как в
кислороде, так и в водороде, можно считать, что преобладающим в этом
процессе является химическое взаимодействие щёлочи с двуокисью углерода
по реакции:
2КОН + СО2 = К2СО3 + Н2О
В
экспериментах
с
6-элементной
батареей,
заправленной
закарбонизированным электролитом (60,4 % К2СО3) после работы на
водороде и кислороде в течение 25 ч на плотности тока 25 мА/см2, 38 ч – на
220 мА/см2 и 28 ч – на 400 мА/см2 карбонизация снизилась до 28,4 %.
Декарбонизация сопровождалась повышением напряжения элементов до
величин близких к таковым у батарей ТЭ, заправленных обычным КОН.
2
в журнал «Электрохимическая энергетика», 2008 г.
Испытания 5-элементного модуля, укомплектованного штатными ТЭ
«Фотон», на чистом водороде и воздухе, неочищенном от СО2, показали, что
отдельные ТЭ начали переполюсовываться через 12 – 14 часов. Эти
эксперименты проводились при температуре 99 оС, давлении газов 0,4 МПа,
коэффициенте полезного использования окислителя (КПИО) -кислорода
воздуха- 50 %, плотности тока 230 мА/см2. Нарабатываемая вода уносилась
не только достаточно большим потоком воздуха, но и водородом,
циркулирующим через батарею ТЭ и специальный конденсатор, последний
поток в 30 раз превышал потребление водорода на реакцию. Температура
конденсатора в процессе экспериментов с целью достижения максимального
времени работы была постепенно повышена от 63 оС до 77 оС.
Дефектация обнаружила наличие твёрдых осадков карбоната калия как
в кислородной, так и в водородной камерах. Результаты определения степени
карбонизации (отношение содержания К2СО3 в граммах к суммарному
содержанию К2СО3 + КОН) электролита в составляющих одного из
элементов представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Содержание карбонатов в составляющих ТЭ.
Комплектующие ТЭ
Воздушный электрод
Степень карбонизации, %
88,9
Электролитная матрица
49
Водородный электрод
57
Буферная пластина водородного электрода
62,5
Карбонизация рассчитывалась с учётом сухих осадков. Обнаруженный
минимум карбонизации в электролитной матрице с очевидностью связан с
тем, что вода удалялась как потоком воздуха, так и циркуляцией водорода,
что, естественно, приводило к повышению концентрации карбоната в
граничном с газом слое и к выпадению его в осадок в обеих газовых камерах.
3
в журнал «Электрохимическая энергетика», 2008 г.
Рентгенофазовый анализ осадка показал наличие только одной фазы – К2СО3
·1,5 Н2О.
Предотвратить образование сухих осадков можно попытаться за счёт
увлажнения поступающего в ТЭ воздуха.
Такой пятиэлементный модуль испытывался при давлении воздуха
0,108…0,101 МПа., водорода – 0,11 МПа, температуре 85 оС и КПИО – 50 %,
продувка водорода проводилась импульсами.
В течение первых 47 часов на плотности тока ~57 мА/см2 наблюдалось
монотонное снижение напряжения. Хотя для уменьшения скорости снижения
напряжения температура увлажнителя воздуха и была повышена от 35 оС до
55 оС,
в
следующие
3 часа
скорость
снижения
напряжения
резко
увеличилась. Переход на работу на воздухе, очищенном от СО2 до глубины
9…10 ррm, с повышением температуры увлажнителя до 62 оС в течение
следующих 30 часов позволил вернуться к прежнему напряжению. После
этого работа продолжалась на неочищенном воздухе при температуре
увлажнителя 66 оС, которая в процессе испытаний была повышена до 71 оС.
Испытания продолжались в течение 330 часов и были планово остановлены.
Среднее напряжение элементов, установившееся на уровне 600 мВ, было
стационарным.
Процесс карбонизации сопровождался постепенным ростом импеданса,
однако этот рост не объясняет столь значительного снижения напряжения.
Так при карбонизации в течение 70 часов на плотности тока 57 мА/см2
среднее снижение напряжения составило 220мВ, а импеданс увеличился на
0,8 мОм, что объясняет снижение напряжения всего на 8 мВ. По-видимому, в
этом случае, имело место увеличение массо-транспортной и (или)
активационной поляризации.
Анализ водорода при импульсной продувке (до неё водород подавался
в тупик) показал наличие в нём
СО2 в количестве 2184 ppm, а воздух,
выходящий из ТЭ, содержал 21 ppm СО2 (содержание СО2 во входном
воздухе ~ 350 ppm). При непрерывной продувке водорода содержание СО2
4
в журнал «Электрохимическая энергетика», 2008 г.
составило 1900 ppm. Повышение плотности тока до 142 мА/см2 привело к
увеличению содержания СО2 в продувочном водороде до 6900 ppm. При
возвращении к прежней плотности тока 57 мА/см2 напряжение каждого ТЭ
увеличилось в среднем на 200 мВ по сравнению с напряжение на этой
плотности тока до перехода на 142 мА/см2 и затем в течение 33 часов
постепенно понизилось вновь до 600 мВ.
Эти эксперименты говорят, что процесс декарбонизации с выделением
СО2 на аноде скорее всего носит электрохимический характер, т.е. в этом
случае на водородном электроде вместе с реакцией электрохимического
окисления водорода протекает реакция восстановления иона СО3-2 до СО2,
например, по реакции:
СО3-2 + Н2 – 2е- = СО2 + Н2О.
В целом способность матричного щелочного ТЭ длительно работать на
увлажнённом воздухе, не очищенном от СО2 с учётом декарбонизации
электролита (без его замены) представляется следующим образом.
На катоде происходит достаточно интенсивное за счёт развитой
поверхности
раздела
между
электролитом
и
газом
химическое
взаимодействие углекислого газа со щёлочью с образованием карбоната
калия; который диссоциирует на ионы К+ и СО3-2. Увлажнение воздуха
снижает концентрацию электролита со стороны воздушного электрода и не
позволяет образовываться в них осадкам карбоната калия, блокирующих
подачу воздуха. Ионы СО3-2 за счёт диффузии и сил электрического поля
двигаются к аноду, где отдают электроны и выделяются в виде СО2, который
удаляется
при
продувке
водорода.
При
определённой
силе
тока
устанавливается определённый поток ионов СО3-2 от катода к аноду и
определённое содержание карбонатов в электролите. При повышении
снимаемого с ТЭ тока (повышение плотности тока) большее количество
ионов
СО3-2
восстанавливается
на
водородном
электроде.
Скорость
поступления СО2 в электролит определяется объемом газов, поступающих на
электроды, и концентрацией СО2 в них. Соотношение скоростей поглощения
5
в журнал «Электрохимическая энергетика», 2008 г.
и выделения СО2 определяет равновесное содержание карбонатов в
электролите.
Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы и
определить некоторые направления разработок в области матричных
щелочных ТЭ.
1 Матричные щелочные ТЭ могут работать на неочищенном от СО2
воздухе при его увлажнении. В этом случае вольтамперная характеристика
ТЭ
будет
определяться
плотностью
тока
и
равновесной
степенью
карбонизации электролита. При достаточно больших плотностях тока ВАХ
такого элемента может практически совпадать с ВАХ ТЭ, работающего на
чистой щёлочи, поскольку, как видно из таблицы 2, это приведёт к
существенному снижению содержания К2СО3 в электролите.
2 Учитывая, что в проведённых экспериментах концентрация СО2 в
воздухе, выходящем из модуля ТЭ, была снижена с 350 ppm до 21 ppm,
целесообразно рассмотреть возможность использования этого эффекта для
очистки воздуха от углекислого газа.
3 При значительной карбонизации электролита он может быть очищен
от карбонатов при работе на повышенных плотностях тока.
Работы
в
этих
направлениях
должны
быть
продолжены.
Положительные результаты этих работ позволят матричным щелочным ТЭ
составить весьма серьёзную конкуренцию ТЭ с полимерным электролитом
практически во всех областях их применения.
Литература
1 Ю.Л. Голин, В.И. Матренин, Б.С. Поспелов, С.Ю. Серых, Г.С.
Соловьев, А.С. Стихин «Щелочные топливные элементы в энергоустановках
для транспортных средств», тезисы докладов семинара «Топливные
элементы и энергоустановки на их основе», Россия, Обнинск, 2000 г.
6
в журнал «Электрохимическая энергетика», 2008 г.