CC BY
24т
'"ооии»«^
Транспорт на водороде
Бифункциональные низкотемпературные электрохимические генераторы для водородного транспорта
С.А. Григорьев,
начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский институт», д.т.н., Д.Л. Астановский,
президент ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ М», к.т.н.
В статье рассмотрены устройство, принцип действия и перспективы применения бифункциональных электрохимических генераторов на основе твердополимерного электролита на водородном транспорте.
Ключевые слова: водородный транспорт, бифункциональный электрохимический генератор, твердый полимерный электролит.
Bifunctional low-temperature electrochemical generators for hydrogen transport
S.A. Grigoriev, D.L. Astanovsky
Feature, principle of operation and prospective of application of bifunctional electrochemical generators based on solid polymer electrolyte (SPE) on hydrogen transport are considered.
Keywords: hydrogen transport, bifunctional electrochemical generator, solid polymer electrolyte.
Сегодня большинство автомобилестроительных компаний имеют образцы транспортных средств на водородных топливных элементах c твердым полимерным электролитом (ТПЭ) и готовы начать их производство [1]. Однако одним из основных факторов, сдерживающих широкомасштабное использование водородного транспорта, является отсутствие соответствующей инфраструктуры. В этой связи перспективны бифункциональные электрохимические генераторы с ТПЭ [2, 3], для работы которых нет необходимости создания сети водородных заправочных станций.
Подзарядка систем хранения водорода и кислорода автомобилей на основе бифункциональных электрохимических генераторов может осуществляться от обычной бытовой электрической сети (рис. 1). Например, в ночные часы электрохимический генератор работает в режиме электролизера воды, и
осуществляется заправка систем хранения газов, а в дневное время в период использования транспортного средства в электрохимическом генераторе происходит выработка электроэнергии, необходимой для его движения. Немаловажной является возможность зарядки систем хранения с использованием энергии возобновляемых источников (солнце, ветер и т.п.) [4, 5].
Так же, как и в случае топливных элементов и электролизеров воды с ТПЭ, основными компонентами бифункционального электрохимического элемента с ТПЭ (в англоязычной литературе используется термин unitized regenerative fuel cell) являются протонно-обменная мембрана, анодные и катодные электрокаталитические слои и газодиффузионные электроды (рис. 2). При создании бифункциональной системы могут быть использованы две схемы организации ее работы. В первом случае речь идет об обратимом элементе, электроды
которого изменяют свои окислительно-восстановительные функции при переключении режима работы элемента (рис. 2а). Такие электроды принято называть водородным или кислородным в зависимости от газа, который выделяется или потребляется на данном электроде. Применение схемы а позволяет легко осуществлять смену режима работы системы, поскольку смена газов (реагенты и продукты электродных реакций) не требуется. Однако недостатком такой схемы является невозможность использования углеродных материалов (газодиффузионная подложка, носитель катализатора) на кислородном электроде, поскольку углерод быстро окисляется под действием кислорода и его радикалов, выделяющихся в зоне реакции при анодном электролизном процессе [6]. Другая схема организации обратимого элемента (рис. 2б) лишена этого недостатка [7, 8], однако при ее использовании требуется смена газового состава электродных камер при переключении режима работы элемента, что практически может реа-лизовываться посредством продувки инертным газом или вытеснением газов водой с ее последующим сливом.
Впервые идея создания бифункционального элемента на основе ТПЭ была реализована на практике в начале 1960-х гг. [9]. Однако из-за проблем с ТПЭ-мембраной и сложности приготовления каталитических слоев характеристики элемента были крайне низки. Значительных успехов в разработке
Рис. 1. Схема применения бифункционального электрохимического генератора на автомобиле [4, 5]
I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
Транспорт на водороде
pi
Водородный Кислородный ¡Восстановительный Окислительный
электрод электрод [ электрод электрод
а б
Рис. 2. Возможные схемы организации работы обратимого элемента и электрохимические реакции, протекающие на электродах: а - химически обратимые электроды; б - электроды, не меняющие своих окислительно-восстановительных функций при переключении режима работы элемента
бифункциональных электрохимических генераторов с ТПЭ достигла компания General Electric, специалистами которой в 1972 г. был создан прототип обратимого элемента для энергосистемы космического спутника [10]. Коммерчески доступные бифункциональные модули Unigen и системы на их основе были созданы компанией Proton Energy Systems [10].
В России разработкой бифункциональных электрохимических генераторов с ТПЭ занимается НИЦ «Курчатовский институт» [7, 8]. Разработку нанострук-турированных мембран и мембранных устройств для электрохимических
Рис. 3. Бифункциональный электрохимический модуль, разработанный НИЦ «Курчатовский институт»
относятся подпиточная емкость для воды, сепараторы водорода и кислорода, преобразователь напряжения, насосы, ионообменные фильтры и датчики.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственные контракты №№ 16.513.11.3086 и 16.513.11.3010).
Литература
мембранных систем топливно-энергетического комплекса и транспорта ведет ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ М». Разработан и испытан бифункциональный электрохимический модуль мощностью 1,5 и 0,5 кВт в режиме электролизера воды и топливного элемента, соответственно, с общим КПД циклического преобразования энергии до 45 %. При этом стоимость и массогабаритные характеристики бифункционального модуля значительно ниже, чем для двух отдельных модулей электролизера и топливного элемента той же мощности. Разработанный образец бифункционального модуля представляет собой фильтр-прессную конструкцию, состоящую из семи элементов с рабочими поверхностями площадью 256 см2 каждый (рис. 3). В целом разработанные электродные и каталитические материалы позволяют в лабораторных условиях реализовать характеристики бифункционального электрохимического генератора, близкие к характеристикам дискретных электрохимических систем - топливных элементов и электролизеров воды.
При использовании бифункционального электрохимического генератора на борту транспортного средства к уже проработанным схемам необходимо добавить элементы, обеспечивающие работу электрохимического генератора в режиме электролизера воды. К ним
1. Козлов С.И, Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / Под ред. Е.П. Велихова. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с.
2. Григорьев С.А. Обратимые электрохимические системы на основе твердого полимерного элемента // Энергетика за рубежом. - 2009. - Вып. 3. - С. 31-47.
3. Григорьев С.А. Обратимые электрохимические системы с твердым полимерным электролитом // Электрохимическая энергетика. - 2009. - Т. 9, № 3. - С. 128-137.
4. Suppes G.J. Plug-in hybrid with fuel cell battery charger // International Journal of Hydrogen Energy 30. - 2005. - Р. 113-121.
5. Suppes G.J. Regenerative fuel cell technology. - US Patent Application 20050008904.
6. Pettersson J., Ramsey B., Harrison D. A review of the latest developments in electrodes for unitised regenerative polymer electrolyte fuel cells // Journal of Power Sources. - 2006. - Vol. 157, No 6. - P. 28-34.
7. Grigoriev S.A., Millet P., Dzhus K.A., Middleton H., Saetre T.O., Fateev V.N. Design and characterization of bi-functional electrocatalytic layers for application in PEM unitized regenerative fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. - 2010. - Vol. 35, Issue 10. - P. 5070-5076.
8. Grigoriev S.A., Millet P., Porembsky V.I., Fateev V.N. Development and preliminary testing of a unitized regenerative fuel cell based on PEM technology // International Journal of Hydrogen Energy. - 2011. - Vol. 36, Issue 6. - P. 4164-4168.
9. Bone J.S., Gilman S., Niedrach L.W. and Read M.D. Bifunctional electrodes for an integrated water-electrolysis and hydrogen-oxygen fuel cell with a solid polymer electrolyte / Proceedings of the Annual Power Source Conf., 1961, 14:47-48.
10. Mitlitsky F., Myers B., Weisberg A.H., Molter T.M., Smith W.F. Reversible (unitised) PEM fuel cell devices // Fuel Cells Bulletin. - 1999. - Vol. 2, Issue 11. - P. 6-11.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
