CC BY
11ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ
Топливные элементы
HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT
Fuel cells
ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
УДК 544.643
К. Г. Большаков, Ю. Л. Голин, Д. Г. Кондратьев, В. И. Матренин, А. Т. Овчинников, Б. С. Поспелов, Г. С. Соловьев, А. С. Стихин, В. Н. Тихонов, И. В. Щипанов
Уральский электрохимический комбинат г. Новоуральск, Россия Факс: (34370) 5-71-67; e-mail:pasha@ueip.ru
A comparative analysis of alkaline fuel cell (AFC) stacks and powerplants and proton exchange membrane fuel cells (POMFC) is provided.
It is shown, that at certain conditions efficiency and specific performance of AFCP may be superior to those of PMFC that indicates expediency of carrying out of full-scale researches of AFC as well, and, the much attention should be given to development of absorber of C02 from air.
Работы по щелочным топливным элементам (ЩТЭ) ведутся на Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК) с конца 1960-х гг. За истекшие годы были разработаны водородно-кислород-ные электрохимические генераторы (ЭХГ) «Вол-на-10» (опытный образец) и «Волна-20» (серийный) с щелочным циркулирующим электролитом мощностью 1,2 кВт, а также «Фотон» (изготов-
1150 1100 1050 1000 950 -900 850 800 750 700650
1
s "ч •v.
V "Si
/
— -s. /
100 200 300 400 500 600 Плотность тока, мА/см2
700
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики: 1 — БТЭ «Фотон» (85 °С, Рщ = Р02 = 0,2 МПа, анод—1,6 мг/см2 катализатора, катод — 13,5 мг/см2) начальная; 2 — БТЭ «Фотон» после 5037 ч; 3 — БТЭ
лено 120 шт.) мощностью 10 кВт* с электролитом, содержащимся в асбестовой матрице.
Для использования в электромобилях большинство исследователей отдает предпочтение топливным элементам (ТЭ) с протонообменной мембраной. На УЭХК проведено сопоставление возможностей батарей ЩТЭ, которые могут быть изготовлены с использованием технологии «Фотон» (ресурс более 5000 ч) и батарей топливных элементов с полимерной мембраной (ТЭПОМ) фирмы «Siemens». Последние выбраны потому, что в литературе только для этих батарей приведена полная и достаточная для сравнения информация [1]. Мощности сравниваемых батарей равны 34 кВт. Обе батареи работают на кислороде и водороде.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) усредненных топливных элементов и батарей для ТЭПОМ приведены на рис. 1.
Для расчета основных параметров батарей «Фотон» и ТЭПОМ принимали следующие исходные данные:
800 900
ТЭПОМ (80 °С, PH2 = 0,21 МПа, PO2 = 0,23 МПа, анод и катод по лщтэ
4 мг/см2 катализатора) н°г° щТЭ;
= 1,55 мм — толщина од-
* После модернизации, не затронувшей батарею ТЭ, мощность была доведена до 35 кВт. Статья поступила в редакцию 28.03.2005. The artisle has entered in publishing office 28.03.2005.
йПОМ = 2,00 мм — толщина одного ТЭПОМ; п = 72 — число ТЭ в батареях ЩТЭ и ТЭПОМ. Прямолинейные участки ВАХ (см. рис. 1) единичных ТЭ при плотности тока у > 300 мА/см2 можно представить в виде:
и (] ) = а - Ь], (1)
где а = атах = 1,008 В, Ь = Ьтах = 0,28 Омсм2 — для кривой 1; а = ат|п = 0,993 В, Ь = Ьт|п = 0,4133 Ом см2 — для кривой 2; а = апом = 0,867 В, Ь = = Ьпом = 0,1667 Омсм2 — для кривой 3.
Тепловая мощность, вырабатываемая батареей ТЭ (БТЭ):
0 = [ Е - и (] )] п]Б, (2)
где Е = 1,47 В —термонейтральный потенциал; и — напряжение единичного топливного элемента, В; п — число ТЭ в БТЭ; 5 —активная поверхность электродов ТЭ, см2.
Тепловая мощность, отводимая из БТЭ испарением воды в поток воздуха:
У^пгца
ß, ^
2F
(3)
где г = 2,26 МДж/кг — теплота парообразования воды; ц — молекулярная масса, кг/моль; а — доля синтезированной воды, отводимой воздухом (для ЩТЭ а = 50 %, для ТЭПОМ а = 100 %); ^ = 96487 Кл/моль — число Фарадея.
Тепловая мощность, отводимая из БТЭ на радиатор:
ß„ = ß - ß, = jSn
E-и(j )-
гца 2F
(4)
Электрическая мощность БТЭ без учета затрат энергии на ее систему обеспечения:
N = jSnu (j). (5)
Из уравнений (2)-(5) определяются: плотность тока j, площадь активной поверхности электродов S, линейный размер пакета ТЭ (L = nh), объем БТЭ (V = SL) без учета фланцев, напряжение на клеммах БТЭ (U = u(j)n), ток БТЭ (J = jS), КПД БТЭ (n = u(j)/E), удельная мощность БТЭ (q = N/V).
Результаты расчетов различных вариантов БТЭ для случаев одинаковых площадей электродов, объемов активной части, а также одинаковых КПД приведены в таблице.
Из таблицы видно, что при одинаковой площади ТЭ батарея ЩТЭ превосходит батарею ТЭПОМ по КПД и удельной мощности. При равных объемах активной части щелочная батарея весьма существенно выигрывает у батареи ТЭПОМ по КПД. При одинаковых КПД щелочная батарея имеет лучшие удельные характеристики.
Следует отметить, что все эти преимущества щелочной батареи сохраняются и через 5000 ч функционирования, даже если их сравнивать с характеристиками батареи ТЭПОМ в исходном состоянии.
Был проведен сопоставительный анализ энергоустановок с батареями ЩТЭ и ТЭПОМ. На рис. 2 приведен линейный участок перспективных ВАХ ЩТЭ и ВАХ ТЭПОМ [2]. Число элементов и мощность БТЭ выбраны, исходя из назначения автомобиля.
1,0
СО
о 0,9
£0,1 X
0,7
1
500
0 100 200 300 400
Плотность тока, мА/см2
Рис. 2. Перспективные ВАХ единичных ТЭ: 1 — ЩТЭ (85 °С, 0,3 МПа, Н2/воздух); 2 — ТЭПОМ, США (80 °С, Н2/воздух, рабочее давление в источнике не указано)
Анализ проводился на основе результатов расчета параметров и характеристик энергоустановок (ЭУ) с использованием специально разработанной программы вычислений. Ввиду большого количества формул, отражающих законы сохранения энергии и массы, эта программа не
Характеристики батарей ЩТЭ и ТЭПОМ
Параметры БТЭ ЩТЭ исходи. ЩТЭ через 5037 ч ТЭПОМ ЩТЭ исходи. ЩТЭ через 5037 ч ТЭПОМ ЩТЭ исходи. ЩТЭ через 5037 ч ТЭПОМ
Объем БТЭ, л 13,0 13,0 16,7 16,7 16,7 16,7 7,2 11,3 16,7
Напряжение, В 63,3 55,9 52,4 65,6 60,3 52,4 52,4 52,4 52,4
Плотность тока, мА/см 462 522 559 346 376 559 1002 641 559
Площадь ТЭ, см2 1163 1163 1163 1499 1501 1163 648 1012 1163
Напряжение одного ТЭ, В 0,879 0,777 0,728 0,911 0,838 0,728 0,728 0,728 0,728
КПД БТЭ, % 70,3 62,2 58,2 72,9 67,0 58,2 58,2 58,2 58,2
Удельная мощность, кВт/л 2,62 2,62 2,03 2,03 2,03 2,03 4,7 3,01 2,03
приводится. Ряд параметров ЭУ с батареями ЩТЭ и ТЭПОМ считался заданным:
- число ТЭ в батарее 400;
- электрическая мощность батареи 60 кВт;
- коэффициент полезного использования окислителя 50 %;
- КПД компрессора и экспандера 60 %;
- мощность на собственные нужды (питание насосов, вентиляторов радиатора и приборов автоматики) 1,1 кВт;
- температура окружающего воздуха 30 °С;
- влажность окружающего воздуха 50 %.
На основе простых соотношений
a
2E
\2
Nb nSE2
J =
a-nE lb
(6)
построены зависимости (рис. 3). Видно, что КПД батарей ЩТЭ и ТЭПОМ одинаковы при площади активной поверхности единичного ТЭ 440 см2. Создавать ТЭ с меньшей площадью нецелесообразно из-за снижения КПД батарей при увеличении плотности тока. С другой стороны, эта площадь, по-видимому, не должна превышать 1000 см2, так как батарея будет иметь неоправданно большие массу, объем, стоимость, большой периметр уплотнений, а выигрыш по КПД становится не очень существенным, особенно для батарей ТЭПОМ.
64
62
го 1- 60
LO
^г 58
1
56
54
52
50
ЩТЭ
ТЭПОМ
/ -
"у
400 500 600 700 800 900 Площадь единичного ТЭ, см2
1000
Рис. 3. Зависимость КПД БТЭ от площади единичного ТЭ
На рис. 4 приведена принятая для расчетов структурная схема энергоустановки с батареями ЩТЭ. Воздух через фильтр грубой очистки поступает в компрессор, очищается от СО2 и мелких частиц, охлаждается в рекуператоре, проходит через БТЭ, питает катод кислородом, и, набирая в себя часть синтезированной воды (~50 %), через экспандер отводится наружу.
Рекуператор установлен в «горячем» контуре БТЭ (с более высокой температурой) для того, чтобы не перегружать по теплу «холодный» кон-
тур. Другая часть синтезированной воды потоком водорода, создаваемым струйным насосом, выносится во влагоотделитель (теплообменник-конденсатор), конденсируется и выводится наружу. Выделяющееся во влагоотделителе тепло отводится теплоносителем на «холодный» радиатор. Поддержание тепловых и массовых потоков осуществляется изменением оборотов насосов по сигналам соответствующих датчиков температуры, а также оборотов компрессора по сигналу датчика тока.
Для более наглядного представления результатов расчета на рис. 4 помещена энергетическая диаграмма. При расчете механической мощности, подводимой на колеса (механический момент на угловую скорость колеса), принималось, что потери при преобразовании электрической мощности в механическую составляют 10 %.
В ЭУ с батареей ТЭПОМ водород подается в анодные полости батареи из композитных баллонов (34 МПа). Непрореагировавший водород через увлажнитель возвращается эжектором в батарею. Наружный воздух через фильтр грубой очистки поступает в компрессор. Сжатый и нагретый в компрессоре воздух через фильтр тонкой очистки подается в увлажнитель водорода, в котором тепло горячего воздуха используется на испарение воды в водород через пористую перегородку. Увлажненный воздух направляется в катодные камеры батареи, а обедненный кислородом воздух, выходящий из батареи, поступает в экспандер. Вода в жидком виде насосом направляется в увлажнители.
Увлажнять водород требуется потому, что образующийся на аноде протон приобретает гид-ратную оболочку и несет ее к катоду. По данным работы [3] на каждый протон приходится от 1 до 5 молекул воды. Однако благодаря диффузии часть воды возвращается обратно. По экспериментальным данным сотрудников РНЦ «Курчатовский институт» [4], в итоге каждый протон переносит на катод от 0,28 до 0,53 молекул воды с учетом обратной диффузии**. При 0,3 молекулах воды на протон к наработанной на катоде воде добавляется еще 60 % воды, поэтому без увлажнения водорода мембрана может осушиться.
На рис. 5 представлены структурная схема ЭУ с батареей ТЭПОМ, принятая для расчета, и энергетическая диаграмма.
Число топливных элементов в БТЭ, площадь активной поверхности ТЭ, давление рабочих газов и электрическая мощность БТЭ такие же, как и в энергоустановке с батареей ЩТЭ.
Из сопоставления результатов расчетов (см. рис. 4, 5) можно сделать вывод, что ЭУ с батареями ТЭПОМ существенно уступает тако-
** Экспериментальные данные получены на ПОМ МФ-4СК (аналог Nafion 117), ОАО г. Санкт-Петербург.
< Пластполимер»,
Водородные баллоны
Водород
Струйный насос
Насос
«Горячая»
секция радиатора
п
Насос
БТЭ
Г
Вода
Холодная» секция радиатора
Влагоотделитель
■
Рекуператор
Фильтр тонкой очистки
Скруббер
Компрессор
Воздух
Фильтр грубой очистки
Воздух и вода
Экспандер
Рис. 4. Структурная расчетная схема энергоустановки с батареей ЩТЭ и энергетическая диаграмма
Водородные баллоны
Фильтр грубой
очистки □
Воздух
Воздух
Бак с водой
15,2 кВт испарение воды в воздух
30,5 кВт на «горячий» радиатор
Тепловая мощность БТЭ 45,7 кВт
Водород 2,71 кг/ч Воздух 308,4 кг/ч 105,7 кВт
41,5 кВт Механическая мощность КПД 39,3 %
18,2 кВт Компрессор
Рис. 5. Структурная расчетная схема энергоустановки с батареей ТЭПОМ и энергетическая диаграмма
вой с батареями ЩТЭ по затратам на собственные нужды (затраты на компрессор, вентилятор радиатора, насосы и автоматику за вычетом мощности, возвращаемой экспандером), по КПД батареи и полезной выходной электрической мощности. Однако по суммарной тепловой мощности, отводимой на радиаторы, преимущество остается за ЭУ с батареей ТЭПОМ вследствие того, что в ней отводится больший тепловой поток испарением воды в воздух.
Окончательный вывод о преимуществах той или иной ЭУ может быть сделан после достаточно подробной конструкторской и технологической проработки всех узлов, входящих в ЭУ, включая увлажнители и адсорбер СО2, с учетом реальных ресурсных возможностей ТЭ. Однако представленный анализ показывает, что в определенных условиях ЩТЭ могут иметь преимущество и это подтверждает целесообразность проведения полномасштабных исследовательских работ в направлении ЩТЭ, в том числе в направлении создания компактного и регенерируемого на борту автомобиля адсорбера СО2.
Что же касается ТЭПОМ, то, несмотря на большие успехи в уменьшении количества драгметаллов в электродах ТЭПОМ и заявления ряда
фирм о достижении высоких удельных характеристик, реальный ресурс батарей ТЭПОМ, опубликованный в докладе Министерства энергетики США, в настоящее время равен 1000 ч. В 2003 г. ставилась задача достижения 5000 ч к 2010 г., но в 2004 г. Министерство энергетики уже не указывает конкретного срока достижения указанного ресурса [5].
Список литературы
1. Strasser K. H2/O2 - PEM - fuel cell module for an air independent propulsion system in a submarine // Handbook of Fuel Cells. WILEY, 2003. Vol. 4, Part 2. P. 1201-1214.
2. FY 2002. Progress Report for Hydrogen, Fuel Cells and Infrastructure Technologies Program. U.S. Dep. of Energy. Nov. 2002.
3. Larminie J., Dicks A. Fuel Cell Systems Explained. WILEY, 2003.
4. Григорьев С. А. Оптимизация процессов массопереноса в системах с твердым полимерным электролитом. Автореферат дис. ... канд. техн. наук. М., 2003.
5. FY 2004. Progress Report for the DOE Hydrogen Program, U.S. Department of Energy. Oct. 2004.
НОВОСТИ НАУКИ 'И ТЕХНИКИ
БАТАРЕИКИ НА КРОВИ
Японские исследователи из Tohoku University разработали элемент питания, работающий на человеческой крови без использования токсичных веществ, что открывает возможность его использования в искусственных органах, в том числе сердце. Биологический элемент разлагает содержащуюся в крови глюкозу с помощью вещества, которое имеет в своей основе витамин К3 и не представляет опасности для организма человека.
В то время как большинство топливных элементов содержат металл, причиняющий вред организму, если использовать их для имплантаций, витамин К3 входит в состав организма и делает применение таких элементов безопасным при имплантации. Пока речь идет о довольно маломощных имп-
лантах. Элемент размером с маленькую монету способен вырабатывать мощность 0,2 мВт. Этого достаточно для питания устройства, измеряющего уровень сахара в крови и передающего результаты измерений за пределы организма.
Источник: rambler
