CC BY
39
Перспективы применения электрохимических генераторов на основе топливных элементов в строительной и коммунальной мобильной технике
B.С. Янченко,
доцент Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА), к.т.н.
C.А. Григорьев,
зав. лабораторией Института водородной энергетики и плазменных технологий ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», к.т.н., Ю.И. Фокин,
декан, профессор Брянского государственного технического университета (БГТУ), к.т.н.
В статье рассмотрены перспективы применения электрохимических генераторов на основе топливных элементов в строительной и коммунальной мобильной технике. Предложены возможные схемы организации производства и доставки водорода, параметры электрохимического генератора. Показана перспективность применения обратимого электрохимического генератора. Для обеспечения водородной безопасности мобильной техники и соответствующих объектов инфраструктуры предлагается использование каталитических дожигателей водорода.
Ключевые слова: электрохимический генератор, топливный элемент, строительная и коммунальная мобильная техника, каталитический дожигатель водорода.
Outlook of application of electrochemical generators on the basis of fuel cells in the constructive and municipal mobile technics
V.S. Yanchenko, S.A. Grigoriev, Y.I. Fokin
Outlook of application of electrochemical generators on the basis of fuel cells in the constructive and municipal mobile technics are considered. Possible schemes of hydrogen production and supply, parameters of the electrochemical generator are offered. Prospectivity of application of the reversible electrochemical generator is shown. Catalytic hydrogen recombiners are offered to provide hydrogen safety of mobile technics and corresponding objects of infrastructure.
Keywords: electrochemical generator, fuel cell, constructive and municipal mobile technics, catalytic hydrogen recombiner.
Многие экологические, экономические и социальные проблемы, особенно остро обозначившиеся в последние годы, создают предпосылки к переходу от традиционной углеводородной энергетики к энергетике водородной, предполагающей широкомасштабное применение водорода в качестве альтернативного моторного топлива, кроме прочего, и на транспорте [1]. В литературных и периодических источниках информации, а также в дискуссиях в ходе различных специализированных мероприятий обсуждаются вопросы применения электрохимических генераторов (ЭХГ) на основе топливных элементов в основном на автомобилях, судах (надводных и подводных) и на железнодорожном транспорте. Гораздо меньше внимания уделяется другим мобильным машинам: строительным, дорожно-строительным и коммунальным, а также передвижным агрегатам различного назначения. Исследованием этой проблемы в течение ряда лет занимаются специалисты БГИТА и БГТУ (г. Брянск) совместно с учеными ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва) [2-4].
Применение ЭХГ на указанных мобильных машинах имеет ряд особенностей в сравнении с автомобильной техникой. Для таких машин как автогрейдеры, асфальтоукладчики, фрезы, асфальтовые катки, экскаваторы, бульдозеры несущественно лобовое сопротивление (в отличие от автомобилей), то есть нет строгих требований к объему и форме подкапотного пространства. Большинство этих машин выпускается с гидроприводом как на ведущие колеса, так и на рабочие органы, что облегчает перевод их на электросиловые установки и электропривод. Двигатели энергоустановок землесосных снарядов, передвижных компрессорных станций, привода барабанов автобетоносмесителей и тому подобных машин работают практически в стационарном режиме, что снижает требования к динамическим характеристикам ЭХГ. Выделяемое при работе ЭХГ тепло (до 50% энергии топлива) может использоваться не только для обогрева кабины водителя, но и для технологических целей, например, в асфальтоукладчиках для
Асфальтоукладчик Асф-К-3-02
подогрева асфальтобетонной смеси, на асфальтобетонных заводах для подогрева битума и так далее.
Использование строительных, дорожных и коммунальных машин на улицах населенных пунктов, а землесосных снарядов и мелиоративно-строительных машин на водоемах и в зеленых зонах повышает экологические требования к ним. В этих вопросах, как известно, ЭХГ - вне конкуренции. Кроме этого, для заправки топливом тихоходных строительных и дорожных машин используются автомобильные топливозаправщики, что облегчает переход на новые виды моторного топлива (водород, метанол). Таким образом, на первых этапах внедрения ЭХГ использование их для мобильных машин различного промышленного назначения может быть эффективнее и быстрее, чем на автотранспорте.
Разработка и внедрение ЭХГ для мобильных машин требует решения двух основных достаточно сложных проблем. Первая («внутренняя») проблема связана с тем, что разработка энергоустановок с ЭХГ должна сопровождаться исследованиями по применению электропривода ведущих колес и рабочих звеньев механизмов, возможно, в сочетании с гидроприводом или пневмоприводом. Здесь имеется достаточное количество конструкторских решений и наработок как по электромобильному
Автогрейдер ГС-18.07
транспорту, так и по электроприводам в других областях техники. Общей схемой для техники, имеющей нестационарный динамический режим работы, является гибридная силовая установка, в которой ЭХГ дополняется ДВС либо аккумуляторной батареей (АКБ).
Вторая («внешняя») проблема -это выбор топлива для ЭХГ. Она является комплексной и включает в себя технологический, экономический и даже политический компоненты, поскольку внедрение и развитие новой топливной инфраструктуры требует решений на государственном уровне и значительного финансирования.
Технологически выбор топлива тесно связан с типом применяемого топливного элемента, с выбранной схемой энергоустановки на транспортном средстве и, исходя из этого, диктует требуемую инфраструктуру снабжения и заправки. Достаточно
Фреза дорожная ФДХС-К-1000-01
обширный обзор и доскональный анализ этого вопроса приведен в [5], при этом используется понятие «жизненного цикла водорода». Для рассматриваемых мобильных машин и передвижных агрегатов представляются эффективными следующие параметры ЭХГ:
■ тип ЭХГ - на основе топливных элементов с твердым полимерным электролитом (ТПЭ, в англ. аббревиатуре РЕ1^С);
■ окислитель - кислород воздуха;
■ топливо - чистый водород.
Способ хранения водорода на
мобильной машине - обратимый гид-ридный аккумулятор (ОГА) водорода (в перспективе - баллон-адсорбер на нанотрубках).
Немаловажным является выбор способов получения водорода и заправки техники. Представляется
оправданным получение водорода на базах расположения техники - в строительных и строительно-монтажных управлениях (СУ, СМУ), передвижных механизированных колоннах (ПМК), специализированных гаражах и т.п. При этом одним из высокоэффективных и экологически чистых способов получения водорода является электролиз воды с ТПЭ [6]. В зависимости от технологического режима работы мобильной машины, вариантов использования ее на строительном объекте заправка может производиться непосредственно на базе или с помощью автозаправщика. Для хранения водорода на базах, а также в емкостях автозаправщиков целесообразно применять ОГА, которые должны стать унифицированной единицей водородной инфраструктуры.
В отдельных случаях на борту мобильных машин, находящихся на базе в ночное время, перспективно использование бифункциональной (обратимой) системы электролизер -топливный элемент [7]. В этом случае в ночные часы ЭХГ будет работать от электросети в режиме электролизера воды для заправки системы хранения водорода (и кислорода), а в рабочее время - в режиме топливного элемента. В этом случае будет обеспечиваться снижение стоимости и массогаба-ритных характеристик ЭХГ (вместо отдельных электрохимических модулей используется один).
Следует отметить, что как мобильная техника, так и объекты инфраструктуры (электролизные установки, системы хранения водорода, водородные заправочные станции и т.д.), обеспечивающие ее работу, должны оснащаться эффективными системами водородной безопасности. В частности, могут быть применены высокоэффективные каталитические дожигатели водорода на основе высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ), созданные в ФГУ РНЦ «Курчатовский институт». Дожигатель состоит из открытого с торцов конвективного корпуса, в нижнюю часть которого вмонтирован картридж на основе ВПЯМ, активированный на-ночастицами металлов платиновой группы. При появлении водорода в атмосфере кабины, подкапотного
ЧЙ! ЯНИИНР ШОЮ ИИ1Л «Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (16) июль 2010 г.
пространства, гаража и т.п. дожигатель спонтанно начинает процесс рекомбинации водорода в каталитическом блоке, в результате чего его температура растет, обеспечивая конвективную циркуляцию газовой смеси через дожигатель до достижения безопасной концентрации водорода в атмосфере.
В настоящее время в различных публикациях обсуждается и анализируется достаточно много схем ЭХГ, проблемы использования различных топлив для них, а также способы получения водорода и хранения его на транспортных средствах. Наблюдается определенное распыление материальных и интеллектуальных ресурсов. Однако становится ясно, что технологически, экономически и экологически применение водорода будет эффективно только тогда, когда цены на минеральное топливо по мере его исчерпания возрастут до уровня, сопоставимого со стоимостью водорода. Очевидно при этом, что основными производителями электроэнергии станут ядерные энергоустановки и установки на возобновляемых источниках энергии.
Поэтому именно электролиз воды станет одним из самых приемлемых способов развития водородной инфраструктуры для мобильной техники. Итак, с точки зрения авторов, для решения вопроса об использовании ЭХГ с топливными элементами на мобильных машинах различного назначения необходимо сосредоточить усилия на исследованиях в следующих направлениях:
■ гибридные схемы силовых установок с ЭХГ с ТПЭ;
■ системы хранения водорода типа ОГА;
■ системы производства водорода электролизом воды в местах базирования мобильной техники.
Кроме того, при разработке вышеуказанных систем должны приниматься во внимание соответствующие требования водородной безопасности.
Литература
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. Фокин Ю.И., Янченко В.С., Журавлев В.В. Перспективы использования топливных элементов на дорожных строительных машинах и автомобильном транспорте. Наука и производство
- 2009: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (19-20 марта 2009 г., Брянск): в 2 ч. - Брянск, 2009.
- Ч. 1. - С. 369-370.
3. Фокин Ю.И., Янченко В.С., Журавлев В.В. Проблемы выбора первичного горючего для топливных элементов транспортных средств. Вестник Брянского государственного технического университета. 2009, № 2 (22). - С. 87-92.
4. Григорьев С.А., Фокин Ю.И., Янченко В.С. Повышение энергосбережения и экологической безопасности при применении водородной энергетики для строительных и дорожных машин. Проблемы инновационного биосферно совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах. Материалы 1-й междун. научно-практической конф. 8-9.10.2009 г. Брянск. Том 1. - С. 161-166.
5. Шаманов Н.П., Калмыков А.Н. Электрохимические транспортные энергоустановки с водородным топливом: Монография. СПбГМТУ. - С-Пб., 2006. - 306 с.
6. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды - современное состояние, проблемы и перспективы. - Транспорт на альтернативном топливе, № 3, 2008. - С. 62-69.
7. Григорьев С.А. Обратимые электрохимические системы с твердым полимерным электролитом. - Электрохимическая энергетика, 2009. Т. 9, № 3. - С. 128-137.
имммимя^ш^в^д
Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале
В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:
1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:
заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.
2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.
3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).
Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи - не более 14 400 знаков с пробелами.
Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих
ГОСТов. Текст, таблицы и графические рисунки должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Отдельно необходимо представить список подрисуночных подписей. Не следует форматировать текст самостоятельно.
При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.
Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).
