Научная статья на тему 'ЭХГ «ФРЕГАТ-2» НА ЩЕЛОЧНЫХ МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ'

ЭХГ «ФРЕГАТ-2» НА ЩЕЛОЧНЫХ МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
152
31
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Кондратьев Д. Г., Матренин В. И., Овчинников А. Т., Поспелов Б. С., Стихин А. С.

Представлены результаты разработки щелочных матричных топливных элементов. Проведено сравнение щелочных ТЭ с жидким и матричным электролитом. Показано преимущество щелочных матричных ТЭ по сравнению с ТЭ с полимерным электролитом. Проведены оценочные расчеты щелочного матричного ЭХГ мощностью 300 кВт. Оценены габаритные и массовые характеристики такого ЭХГ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Кондратьев Д. Г., Матренин В. И., Овчинников А. Т., Поспелов Б. С., Стихин А. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FREGAT-2 alkaline matrix fuel cell generator

Results are reported for a development of alkaline matrix fuel cells. Liquid electrolyte fuel cells are compared with matrix electrolyte fuel cells. It is shown that alkaline matrix fuel cells have some advantages over polymer electrolyte fuel cells. The estimation and analysis of 300 kW alkaline matrix fuel cell generator (FCG) is performed. FCG dimension and mass analysis is carried out.

Текст научной работы на тему «ЭХГ «ФРЕГАТ-2» НА ЩЕЛОЧНЫХ МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ»

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР «ФРЕГАТ-2» НА ЩЕЛОЧНЫХ МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

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

Представлены результаты разработки щелочных матричных топливных элементов. Проведено сравнение щелочных ТЭ с жидким и матричным электролитом. Показано преимущество щелочных матричных ТЭ по сравнению с ТЭ с полимерным электролитом. Проведены оценочные расчеты щелочного матричного ЭХГ мощностью 300 кВт. Оценены габаритные и массовые характеристики такого ЭХГ.

FREGAT-2 ALKALINE MATRIX FUEL CELL GENERATOR

D.G. Kondratiev, V.I. Matryonin, A.T. Ovchinnikov, B.S. Pospelov, A.S. Stikhin, V.N. Tikhonov

Federal State Owned Unitary Enterprise Ural Electrochemical Integrated Plant

Results are reported for a development of alkaline matrix fuel cells. Liquid electrolyte fuel cells are compared with matrix electrolyte fuel cells. It is shown that alkaline matrix fuel cells have some advantages over polymer electrolyte fuel cells. The estimation and analysis of 300 kW alkaline matrix fuel cell generator (FCG) is performed. FCG dimension and mass analysis is carried out.

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 разработ-

ка электрохимических генераторов (ЭХГ) на водо-родно-кислородных топливных элементах (ТЭ).

История разработки ЭХГ на щелочных ТЭ (ЩТЭ) представлена в табл. 1.

Таблица 1 ТаЬ1е 1

Этапы разработки ЭХГ на УЭХК Phases of electrochemical generator development on UEIP

1969-1975 гг. Разработка и изготовление ЭХГ «Волна-20» (30 В) мощностью 1 кВт с батареей щелочных ТЭ с циркулирующим электролитом (для РКК «Энергия», г. Королев, выпущено 192 шт.)

1976-1992 гг. Разработка и изготовление ЭХГ «Фотон» (30 В) мощностью 10 кВт с батареей щелочных ТЭ с матричным электролитом (для РКК «Энергия», г. Королев, изготовлено 120 шт.)

1993-2001 гг. Разработан высоковольтный ЭХГ «Фрегат» (320 В) мощностью 10 кВт (для СКБК, г. Санкт-Петербург), изготовлен макетный образец ЭХГ

2004-2006 гг. Для ЦКБ МТ «Рубин» разработан технический проект ЭХГ (320 В) для ЭУ мощностью 300 кВт, изготовлен образец батареи (50 кВт)

Принципиальная схема работы щелочного водо-родно-кислородного топливного элемента показана на рис. 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-.

Для ускорения этих электрохимических реакций необходимы катализаторы. Реакции протекают на границе трех сред: твердое тело (катализатор) - электролит (КОН) - газ (топливо - водород и окислитель - кислород).

В качестве катализаторов в щелочном ТЭ использовались Р1 - на катоде и Р^ИИ - на аноде, кроме того, их можно заменить на золото, серебро, никель. В полимерном ТЭ используется только Р1 или ее сплавы.

Рис. 1. Схема топливного элемента Fig. 1. Fuel cell scheme

Составляющие щелочного ТЭ россыпью и в сборке (в составе батареи ТЭ) представлены на рис. 2.

Электроды представляют собой никелевую сетку с нанесенным на нее 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° С).

1

Рис. 2. Слева - поперечный разрез многоэлементной сборки щелочных ТЭ, сверху - 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 top - FC elements (left to right): matrix, oxygen electrode, collector grid, frame, buffer collector plate, hydrogen electrode, matrix

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

Буферная токосъемная пластина, служащая для отвода тока от водородного электрода, представляет собой пористый никелевый слой, который необходим для накопления нарабатываемой в ТЭ воды. За счет некоторого разбавления этой водой электролита нивелируются неточности изготовления отдельных ТЭ, обеспечивая тем самым идентичность их вольт-амперных характеристик, а также неточности и колебания условий функционирования (температура, скорости газовых потоков, давление)

Токосъемная пластина (или сетка) кислородного электрода служит каркасом для электрода и обеспечивает отвод от него тока.

На рис. 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 видоизмененная конструкция батареи с так 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 190-320 В

Максимальная мощность 20 кВт Габаритные размеры: 500x600x1130 мм

Рис. 3. Макет ЭХГ «Фрегат», разработанный для водородно-кислородной установки мощностью 250 кВт Fig. 3. FREGAT FCG mock-up designed for the 250 kW hydrogen-oxygen plant

Рис. 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.

Номинальная мощность 50 кВт

Максимальная мощность 55 кВт

Пиковая мощность (в течение 1 мин.) 63 кВт

Среднесуточная мощность 17 кВт

Минимальная мощность 5 кВт

Напряжение 240-385 В

Количество ТЭ 660 шт.

Активная площадь одного ТЭ 176 см2

Рис. 4. Батарея для ЭХГ ЭУ «Кристалл 27ЭХГ» Fig. 4. FCG stack for KRISTAL27ЭХГ Power Plant

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 табл. 2. Здесь же отмечено наличие исходных материалов и уровень отработки в России ТЭ с протонообменной мембраной (ТЭПОМ) и ТЭ с щелочным матричным электролитом.

IKÍ

27

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 КПД, % (при номинальной мощности / 20% от номинальной) 59/75 70/79

Габариты, м 0,5x0,5x1,6 0,55x0,78x1,66

Вес, кг 600 500

Ресурс, ч Не указано (по результатам испытаний единичного элемента - 8000) 6000-7000 (по результатам испытаний ЭХГ «Фотон»), 10 000 по результатам испытаний батареи (128 элементов)

Состояние разработки Прошли испытания в составе лодки (проект 212). Принята на вооружение Разработан технический проект. Изготовлена батарея. Работы прекращены.

Наличие исходных материалов в России Отсутствуют Есть в полном объеме

Уровень отработки в России Единичные экспериментальные образцы батарей Основные научные, конструкторские и технологические решения прошли полный цикл отработки

Из табл. 2 и рис. 5 видно, что щелочной генератор УЭХК превосходит генератор фирмы Siemens на ТЭПОМ по вольтамперной характеристике, по мас-согабаритным характеристикам и по электрохимическому КПД

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

1050

950

ш 5

О' В АХ ЩТЭ с матрицей толщинои 100 мкм. 0.2 VI1 ¿1 начальная (УЭХК);

■ - ВАХ ЩТЭ с матрицей 400 мкм, 0.2 ММ:] начальная (УЭХК); 5—ВАХ ЩТЭ с матрицей 400 мим, 0.2 МГ1 л, после 5037 часов (УЭХК); К - ВАХ ТЭПОМ, начальная, 0.2 МП а; Ь * ВАХ ЩТЭ жидкостного, начальная (УЭХК)

850 -

750 ■

650 -I-1 1-г-

300 500

Плотность тока, мЛ/см1

Рис. 5. ВАХ усредненного 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

28

'M £ I

Отсюда же видно, что для щелочных матричных ТЭ исходные материалы в России есть в полном объеме, а для ТЭПОМ они отсутствуют. Уровень отработки ЩТЭ и ТЭПОМ 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 ТЭПОМ все это еще предстоит сделать.

Фирма Siemens отказалась от матричного 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.

На рис. 6 и в табл. 3 показаны внешний вид и сравнительные характеристики ЭХГ с матричным («Фотон») и циркулирующим («Волна») электролитом. Их сравнительные вольтамперные характеристики приведены на рис. 5.

Видно, что жидкостный ЭХГ сильно проигрывает матричному по вольтамперным характеристикам, по удельной мощности, несмотря на то, что рамки ТЭ «Волна» 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.

Рис. 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 ЭХГ «Волна» с циркулирующим электролитом ЭХГ «Фотон» с матричным электролитом

Напряжение, В 27-37 27-37

Удельная мощность, кг/кВт 65 14,5

Основной конструкционный материал магний никель

Плотность тока при номинальной мощности, мА/см2 100 220

Ресурс, ч 500-1000 5000-7000

Из рис. 5 видно, что начальная вольтамперная характеристика полимерного ЭХГ фирмы Siemens заметно уступает вольтамперной характеристике щелочного ЭХГ УЭХК даже после наработки последним в циклическом режиме более 5000 часов.

Для сравнения здесь же показана вольтамперная характеристика ЭХГ «Фотон» с матрицей толщиной 100 мкм. Последняя кривая говорит о возможности улучшения характеристик матричного ЭХГ за счет снижения толщины матрицы (ТЭ ЭХГ «Фотон» был разработан для толщины матрицы 400 мкм) - при

наличии коррозионно-стойкого катализатора, который уже изобретен на УЭХК и создана основа технологии его изготовления [1].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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 материа-

лам и технологическим процессам их переработки. Они достаточно эффективны (КПД в системе 51%, по высшей теплотворной способности), 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, воз-

Ресурс полимерных ТЭ при работе в ц PEM FC lifetime at cyclic

никшие 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, приведены в табл. 4.

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 часов [9]. Что это значит, наглядно видно из рис. 7 [10].

Таблица 4

иклическом режиме (по данным DOE)

Table 4

mode (per DOE information)

2001 2004 2005 2007 2009 2010

2001 [6] 1000 2000 5000

2004 [7] 1000 2000 5000

2005 [8] 1000 5000

2007 [9] > 500* 2000*

* Состояние по DOE, опубликовано на семинаре по ТЭ (Fuel Cell-2007) в Сан-Антонио (США), октябрь 2007 г.

достигнутый прогнозируемый

ресурс, ч ресурс, ч

Рис. 7. Изменение напряжения БТЭ (ТЭПОМ, 5 кВт) во времени при j = 500 мА/см2 (по данным Аргоннской 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, USA)

Здесь же можно отметить, что фирма Gore, один из крупнейших производителей мембраноэлектрод-ных сборок для ТЭПОМ, в своем докладе фиксирует, что поставленные цели на сегодняшний день не достигнуты, и заявляет о необходимости постановки промежуточных целей [11].

На этом же семинаре (октябрь 2007 г.) был распространен очередной доклад DOE за 2007 г. [10]. Рис. 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 Ар-гоннской 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 рис. 8 показано снижение напряжения щелочного матричного ТЭ при плотности тока 500 мА/см2 в процессе испытаний по циклическому графику нагрузки, который приведен здесь же. Испытания проводились на ЭХГ «Фотон» при питании его обычными баллонными водородом и кислородом, содержащими некоторое количество СО2, СО и СН4.

За 5000 часов напряжение усредненного 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 углеродсо-держащих примесей.

Рис. 8. Изменение напряжения БТЭ (ЩТЭ, 10 кВт) во времени при j = 500 мА/см Fig. 8. FC stack voltage variation (AFC, 10 kW) in time at j = 500 mA/cm2

Таким образом, проведенное сравнение показывает, что прогресса в увеличении ресурса ЭХГ на ТЭПОМ нет уже в течение последних 7 лет, несмотря на огромные финансовые затраты (миллиарды долларов) и привлечение к разработкам большого количества ученых в различных странах мира.

Водородно-кислородный щелочной ЭХГ прошел всесторонние проверки и испытания, в том числе и в Европейском космическом испытательном центре в Нордвайке (Голландия) [12]. Все эти испытания прошли с положительным результатом. Также с положительным результатом прошли испытания разработанного на базе этих ТЭ ЭХГ «Фрегат» в г. При-морске. Все 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 трудоемким узлом этого стенда является, как показывают наши проработки, блок нагрузки на 50100 кВт. Необходимо будет разработать и изготовить автоматическую систему управления.

щ

31

В течение 2007 г. на УЭХК была проведена предварительная проработка возможности создания щелочного матричного ЭХГ «Фрегат-2» мощностью 330 кВт.

Расчетная пневмогидравлическая схема этого ЭХГ представлена на рис. 9, а полученные в результате расчета выходные характеристики (исходные и через 6000 часов) приведены в табл. 5. Следует отметить, что приведенные в последней таблице КПД заметно меньше КПД, приведенных в табл. 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).

Рис. 9. Расчетная пневмогидравлическая схема: ТО - теплообменник, БТЭ - батарея топливных элементов, ТК - конденсатор, Н1 - насос воды, Н2 - насос теплоносителя, 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

Характеристики ЭХГ «Фрегат-2» (оценки) FREGAT FCG characteristics (estimations)

Таблица 5 Table 5

Мощность, кВт 420 (в течение 1 мин) 360 (max) 330 (номин.) 112 (среднесут.) 33 (min)

Плотность тока, мА/см2 496/595 416/479 382/427 121/125 34/35

Напряжение ТЭ, В 0,91/0,76 0,93/0,81 0,93/0,83 1,0/0,96 1,1/1,0

Ток ЭХГ, А 1389/1665 1165/1340 1069/1196 339/352 95/97

Напряжение ЭХГ, В 303/252 309/269 309/276 330/318 349/339

Потребление Н2, г/мин 289/347 242/279 222/249 71/73 20/20

Потребление О2, г/мин 2312/2776 1936/2232 1776/1992 568/584 160/160

Тепловыделение, кВт 258/393 208/294 192/254 54/60 13/15

КПД БТЭ, % 62,0/51,7 63,3/55,0 63,3/56,5 67,7/65,2 71,4/69,2

КПД ЭХГ, % - 60,7/53,0 - 65,5/63,2 -

Примечание: начальные характеристики / характеристики через 6000 ч

®

£ X

щ

Í к а с га

400

360

320

280

240

200

-ВА> --ВА> ЭХГ "Фр ЭХГ "Фр )егат-2" е )егат-2" Е начале ресурса конце ресурса (через 6000 ч)

\ ^

-»___

--

400

800

1200

1600

2000

Ток, А

Рис. 10. Вольтамперные характеристики ЭХГ «Фрегат-2 Fig. 10. FREGAT FCG current-voltage curves

Вольтамперные характеристики ЭХГ «Фрегат-2» в начале и конце ресурса показаны на рис. 10.

В целях сокращения массогабаритных характеристик рабочую площадь ТЭ целесообразно увеличить

до 700 см (на ЭХГ «Фотон» эта площадь была равна 176 см2). Предварительный внешний вид такой батареи показан на рис. 11, а предварительный габаритный чертеж всего генератора - на рис. 12.

Рис. 11. Батарея топливных элементов для ЭХГ «Фрегат-2» (площадь ТЭ - 700 см2; 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)

nuLrjIl^t

33

Мощность, кВт 330

Масса, кг 640

Срок использования, лет, не менее 10 лет Ресурс батареи в пределах срока

использования, час, не менее 6000

Рис. 12. ЭХГ «Фрегат-2». Габаритный чертеж (предварительный) Fig. 12. FREGAT-2 FCG dimensional draft drawing

Выполненная проработка показала, что ЭХГ «Фрегат-2» при соответствующем финансировании может быть разработан в течение трех лет полностью на отечественных исходных материалах

Список литературы

1. Изделие «Кристалл-27ЭХГ». Пояснительная записка к техническому проекту, 2004 г.

2. Strasser K. H/O^PEM-tel cell module to air independent propulsion system in a submarine. Handbook of Fuel Cell - Fundamentals // Technology and Applications. 2003. Vol. 4: Fuel Cell Technology and Applications. Р. 1201-1214.

3. Arshinov A., Matryonin V., Kozin V., Ovchinnikov A., Popov V., Pospelov B., Vaskov N. Results of the long-term testing of the «Photon» fuel cell generator, Iut. // J. Hydrogen Energy. 1996. Vol. 21, № 4. P. 293-298.

4. Strasser K. System design and applications. Handbook of Fuel Cell - Fundamentals // Technology and Applications. 2003. Vol. 4: Fuel Cell Technology and Applications. P. 774-788.

5. FY 2003 Progress Report, Hydrogen, Fuel Cell and Infrastructure Technologies Program, U.S. DOE, 1000 Independence Avenue, S.W. Washington, 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. P. 3-71.

8. Hydrogen Fuel Cell & Infrastructure Technologies Program (Multi-Year Research, Development and Demonstration Plan), January 21, 2006. P. 3.4-12.

9. Wipke K., Sprik S., Thomas Y., Kurtz J., Garbak J. Fuel cell vehicle learning demonstration: firstgeneration vehicle results and factors affecting fuel cell degration, 2007. Fuel Cell Seminar & Exposition, Abstracts for Oral Presentations. P. 124.

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 Mil-liken, October 2007. P. 708-710.

11. Cleghorn S., Kolde J. Gore's development path to a commercial automotive fuel cell membrane electrode assembly, 2007. Fuel Cell Seminar & Exposition, Abstracts for Oral Presentations. P. 179.

12. Schautz M., Dudley G., Baron F., Popov V., Pospelov B. Testing of a Buran flight-model fuel cell // ESA Journal. 1994. Vol. 18. P. 129-137.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.