CC BY
31Новые возможности использования топливных элементов на транспортных средствах
Г.С. Дугин,
зам. заведующего отделом научной информации по проблемам транспорта Всероссийского института научной и технической информации (ВИНИТИ РАН), СА. Григорьев,
начальник лаборатории ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», доцент, к.т.н.
В статье рассмотрена возможность использования топливных водородных элементов на транспорте. Перечислены способы хранения водородного топлива на транспортных средствах. Представлен новый способ использования водородного топлива в виде специальных небольших таблеток.
Ключевые слова: водородное топливо, топливные элементы, специальные энергетические таблетки.
New possibilities for fuel cells application on the transport means
G.S. Dugin, S.A. Grigoriev
Possibilities for fuel cells application on the transport means are considered. Variants of hydrogen fuel storage in the transport means are enumerated. New method of hydrogen fuel use in the forms of special small pellets.
Keywords: hydrogen fuel, fuel cell, special energy pellets.
В последнее время во многих В качестве основных вариантов
странах мира происходит поиск рассматривается перевод двигате-
решений по использованию водо- лей внутреннего сгорания (ДВС) на
родных технологий на транспорте. водород (или добавка водорода к
окислитель
продукты выход
—1 Г VVV п 1—
Щелочкой ТЭ Нг + 20Н~-»2Нз0 + 2ё он- 1/20г+ НгО + 2ё 20Н~
Твердополимерный ТЭ Нг->2Н* + 2ё 1/20г + 2Н' + 2ё->Нг0
/ \ 1—-
продукты выход
анод электролит катод
Рис. 1. Принципиальная схема низкотемпературных топливных элементов
основному моторному топливу), а также применение на транспортных средствах энергоустановок (электрохимических генераторов) на основе топливных элементов. В первом случае имеет место резкое снижение токсичности выбросов, а также повышение экономичности ДВС. При использовании топливных элементов вредные выбросы исключаются полностью, так как продуктом электрохимической реакции является водяной пар, а КПД преобразования энергии повышается до 50% и более. Интересно отметить, что водородно-кислородные элементы были применены на американских и российских аппаратах «Шатл» и «Буран» [1, 2].
Топливный элемент представляет собой химический источник тока, в котором расходуемые реагенты (как правило, водород и кислород) подаются извне (рис. 1).
Для достижения требуемого напряжения отдельные топливные элементы, генерирующие напряжение от 0,5 до 1,0 В, последовательно соединяются в так называемую фильтр-прессную конструкцию - батарею топливных элементов (рис. 2).
Рис. 2. Топливный элемент на основе твердого полимерного электролита мощностью 5 кВт, разработанный в РНЦ «Курчатовский институт»
Для обеспечения работы электрохимического генератора на основе топливных элементов на транспортном средстве необходимо предусмотреть соответствующую систему хранения водорода в газообразном, криогенном или химически связанном виде. В первом случае используются газовые баллоны с водородом, что представляет определенные трудности (требуются много места и соблюдение требований по взрыво- и пожаробезопасности). При
цДЁашш
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (14) март 2010 г.
Транспорт на водороде
Га
хранении водорода в сжиженном виде имеют место потери этого топлива на испарение. Предлагаемые способы хранения водорода в пене из полимерных материалов также оказались не очень эффективными.
В качестве альтернативы возможно использование в качестве топлива водородсодержащих соединений. В частности, массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого метанола характеризуется значением 8 кг на 1 кг водорода, а массовое содержание водорода в единице объема жидкого метанола почти в 1,5 раза превышает плотность жидкого водорода. Но, к сожалению, большая токсичность этого вещества не дает возможности его использования.
Использование соединений водорода с углеродом на выходе обычно приводит к выбросам малоэкологичного углекислого газа. Также была доказана возможность сжигания в двигателе аммиака. В Японии были разработаны сравнительно недорогие топливные элементы на гидразине (очень токсичное вещество) и метод безопасного хранения его на автотранспортном средстве в виде твердого полимера. В разных странах предлагались топливные элементы на основе борида ванадия.
Представляет определенный интерес использование гидридов (в жидком или твердом виде), в которых водород хранится при гораздо большей плотности, чем у самого сжиженного или сжатого до 500-700 атм водорода. Преимущество такого способа хранения водорода состоит в том, что водород выходит из гидрида даже при малом нагреве (порядка до 70-150°С). Весьма эффективным, а поэтому и перспективным типом гидрида можно назвать боран аммиака (Н^ВН3), носящий название боразан. Это соединение при комнатной температуре и атмосферном давлении представляет собой твердое вос-коподобное вещество с удельным весом порядка 0,8. По массе в нем может содержаться 20% водорода. Такое высокое значение концентрации в этом веществе водорода дает возможность (пока еще в теории) разработать топливные элементы,
которые будут занимать сравнительно небольшой объем, не превышающий объем традиционного бензобака на автомобиле, что обеспечит достаточно большой пробег автомобиля без дозаправки.
Следует отметить, что определенной проблемой для этого типа энергоносителя (впрочем, это относится ко всем гидридам) можно назвать восстановление уже отработанного (дегидрированного) топлива, которое должно отличаться простотой и быть экономически эффективным. Над этой проблемой активно работали специалисты из национальной лаборатории в Лос-Аламосе, которая входит в университет штата Алабама (США), и Центра по созданию химических средств по хранению водорода (работает по программе «Водородные топливные элементы» Министерства энергетики США). Было выявлено, что такая составляющая отработанного боразина, как полиборазин, может быть преобразована обратно в боран аммиака с использованием ряда весьма недорогих химических реагентов и при небольших энергозатратах. При этом необходимые химические реакции могут полностью протекать в одном
объеме. Также было установлено, что экстракция водорода из бора-на аммиака может происходить во много раз быстрее, если боран будет нанесен на нанокристаллические решетки из кварца. С учетом того, что боразан уже давно применяется в химической промышленности, то ре-циклинг отработанного боразана не представляет больших проблем.
Еще дальше в решении проблемы эффективного хранения водорода на борту автотранспортного средства пошли специалисты датской фирмы «Амминекс» (Атттех), которые разработали и уже применяют так называемые водородные таблетки AdAmmine (рис. 3). Данные таблетки изготавливаются путем выдерживания аммиака в среде солей типа МдС12 или СаС1. При такой операции аммиак реагирует с этими солями сообразованием сложного химического вещества, например, Мд^Н3)С12. Данный продукт является твердым и нетоксичным, содержание водорода в 1 л его объема составляет около 110 г. Приблизительно 10% его массы приходится на водород. Экстракция этого водорода из такого вещества происходит при нагреве.
НУОНАММ^Е™
АММОША СПАСКЕК
Рис. 4. Схема применения таблеток Hydrammine в качестве источника топлива для низкотемпературных топливных элементов [3]
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (14) март 2010 г.
Фирма «Амминекс» в настоящее время уже производит выпуск различных по составу и размеру таблеток, имеющих название Hydrammine. Изучены вопросы применения этих таблеток в качестве источника топлива для топливных элементов разнообразных видов - низкотемпературных (рис. 4), высокотемпературных твер-дооксидных или топливных элементов, в которых аммиак потребляется напрямую. В качестве примера такой таблетки можно назвать таблетку-блок «твердого аммиака» массой всего 100 г, в которой при нормальных условиях хранится 54 г (или 74 л) чистого аммиака. Если бы аммиак был в газообразном состоянии, то для аналогичной упаковки в данный блок его необходимо было сжать до огромного давления порядка 900 атм.
Интересно отметить, что эта же фирма представила разработанный ею метод очистки отработавших газов двигателей от окислов азота с
помощью добавления в них минимального количества аммиака из картриджа, содержащего AdAmmine. В данном случае аммиак вступает в реакцию с окисью азота и преобразует ее в абсолютно безвредные азот и воду. Данная система очистки отработавших газов содержит блок управления, емкость со сменными картриджами, небольшой электроподогреватель (стартовое устройство) и несколько трубок, через которые чистый аммиак инжектируется в сверхмалых дозах в выпускной тракт двигателя, где и осуществляется его реакция с окисью азота.
Следует отметить, что боразан и солевые таблетки с хранимым в нем водородом можно использовать для энергопитания транспортных средств. Не случайно Европейская технологическая ассоциация в 2009 г. включила фирму «Амминекс» в список «Топ-24» компаний Европы, ведущих разработки самых экологических чистых технологических решений. Также
нельзя не сказать о том, что в разных странах мира ведутся научно-исследовательские работы по включению водорода в различные химические соединения и комплексы на основе магния, лития и бора. Все это может обеспечить конкурентоспособность такого топлива нового формата по отношению к другим источникам энергии для транспорта.
Литература
1. Grubb Jr WT. Batteries with solid ion-exchange electrolytes. - J Electrochem Soc 1959; 106:275-81.
2. Худяков С.А. Разработка энергоустановок на основе щелочных топливных элементов для лунного орбитального корабля и многоразового космического корабля «Буран». - International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, № 6, 2002. - С. 37-62.
3. http://www.amminex.net
//////////////////////////////^^^^
Компания «Honda» представила домашнюю станцию для заправки водородных автомобилей
Исторически так сложилось, что солнечная Калифорния стала местом, где испытываются альтернативные виды топлива. Все нужные для исследований и разработок моменты благоприятно складываются именно там: лояльное правительство, теплый климат, потенциально большой контингент богатых покупателей. Наконец, многие автомобильные компании располагают свои исследовательские и дизайнерские центры как раз в Калифорнии.
Компания «Honda» уже давно всерьез занимается автомобилями, в которых нет аккумуляторных батарей, зато есть собственная электростанция, вырабатывающая электричество посредством химической реакции между кислородом и сжатым водородом, находящимся в баке. Результатом исследований стала модель «Honda FCX Clarity». По версии британского автомобильного журнала «Top Gear», это самая значимая модель с того дня,
как был изобретен автомобиль. Однако развитие этого перспективного экологичного автомобиля сдерживает наличие водородных заправочных станций только в Калифорнии.
Поэтому специалисты из компании «Honda» постоянно думают о том, чтобы покрыть всю Землю паутиной заправочных станций, предлагая промежуточный вариант для тех, кому уже сейчас хочется испытать все прелести вождения автомобиля, выхлоп которого полностью состоит из обычной воды. И этот вариант - домашняя установка для заправки автомобиля сжатым водородом. 8-часовой цикл ночной работы позволяет выработать 0,5 кг водорода, что достаточно для ежедневных разъездов (в годовом масштабе - 16 тыс. км пробега водородного авто). Новая установка названа Solar Hydrogen Station. Предыдущие версии системы предполагали наличие дорогого и громоздкого компрессора для сжатия водоро-
да, теперь инженеры «Honda» смогли обойтись без него, усовершенствовав механизм, осуществляющий электролиз. Это позволило снизить общие габариты установки, попутно увеличив эффективность процесса выработки водорода на 25%.
Solar Hydrogen Station совместим с масштабным проектом «Умная сеть». Днем колонка с помощью солнечных батарей собирает энергию, необходимую для ночного получения водорода, при этом система точно знает, сколько нужно электроэнергии, отправляя излишки питать домашнюю электросеть. В пасмурные дни станция, наоборот, использует электросеть для получения достаточного количества энергии.
Таким образом днем Solar Hydrogen Station собирает электричество, ночью - занимается производством сжатого водорода. Пять минут заправки автомобиля - и можно проехать 380 км пути на автомобили «Honda FCX Clarity». Это ли не автомобиль будущего? Осталось лишь дождаться распространения Solar Hydrogen Station за пределы Калифорнии, ведь, если все пойдет хорошо - для этого есть все предпосылки.
http://www.3dnews.ru/news/honda_predstavila_domashnuu_stantsiu_dlya_zapravki_vodorodnih_avto/
<ФШ ЯИИВР ШОИ Ä ^teu Ш Ä .^^^rfrfZ «Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (14) март 2010 г.
