Самой первой «промышленной» технологии производства электричества в мире, вероятно, является топливные ячейки (fuel cell – английском в оригинале), которые зародились в начале 19-века в Объединенном королевстве и с легкой руки серая William’a Grove’a в 40-х годах того же века были использованы для питания первого телеграфа между Европой и Америкой.
Преимущества и достижения топливно-технологии топливных элементов убедительно демонстрируются рис. 1, где изображены результаты замены традиционного, сіменсового, источники электрической энергии, которой на современных самолетах потребляется много, на топливно-комірчане, построенное на керамических топливных ячейках. Очевидно, что топливно-комірчана система нуждается керосина на 75 % меньше, будучи к тому же еще и значительно чище экологически, как по уровню выбросов вредных веществ, так и практически бесшумной.
Компания Боинг начнет внедрять эту топливно-комірчану систему уже в 2015 году [1]. Учитывая текущие события, важным является еще и то, что в 2015 году компания Боинг начнет замену и традиционного авиационного топлива на новое, искусственное, которое она уже начала производить из морских водорослей. Это биотопливо оказалось лучшим и энергетически, и экологически, что в сочетании с действительно безграничными возможностями Мирового Океана делает эту энергетическую пару Боинга – топливные ячейки и биотопливо – революционной.
Топливная ячейка является электрохимическим устройством, которое, соединяя топливный газ (водород, любой углеводородный газ, сероводород или метангідрат Черного моря, шахтный метан или металлургический газ, аммиак или его соединения) с окислителем (кислород из воздуха и т. д), вырабатывает электричество, тепло, воду и газы – оксиды веществ, соединенных с водородом в топливе и прочее. Кстати, эти выходные газы могут быть использованы для тушения пожаров).
По принципу своего действия такая «газовая» топливная ячейка подобна обычной электрической батарейки, которая также является топливной ячейкой, но в отличие от нее газовая ячейка не «вырабатывается» и ее не надо перезаряжать. Она работает до тех пор, пока к ней подводятся топливные и окислительные газы.
Превращение газов в электричество происходит в ячейке без сжигания. Топливный газ (например, водород) сравнительно медленно окисляется, не вступая в прямой контакт с кислородом, поэтому топливные элементы являются высокоэффективными, экологически чистыми и тихими. Горение топливного газа или же его взрывная поведение в топливной ячейке является принципиально невозможным, поскольку и топливный, и окиснювальний газ вступают в реакцию только диффузией контролируемым образом через абсолютно плотную перегородку.
Рисунок 1 – Относительно сравнения эффективности использования жидкого топлива самолетами Боинг с обычными и топливно-комірчаними генераторами электричества [1]. APU то есть auxiliary power unit, то есть вспомогательный источник энергии.
ТОПЛИВНО-КОМІРЧАНЕ ЯВЛЕНИЕ
В основе технологии топливно-ячеистая производства электричества лежит так называемое топливно-комірчане явление, которое обычно пока зовут «тепловым эффектом химической реакции». Мало кому в Украине известно, что та тепловая энергия, которая и составляет известный «тепловой эффект реакции», перед тем как стать теплом, состояла по крайней мере из двух частей, собственно, тепловой энергии и электрической энергии. Причем, электрическая часть энергии преобладала тепловую почти вдвое. Поскольку электричество не была использована, она в конце концов и превратилась в тепло, которым люди всю свою жизнь и греются у своих печей, отравляя угарным и углекислым газами себя и все вокруг.
Уже почти 200-летний опыт, а особенно его последний 50-летний отрезок, использование ярко свидетельствует, что топливные ячейки являются революціонізуючою энергетической технологии для промышленности, быта и всех видов транспорта, медицины, военного дела и тому подобное. Они способны удовлетворить самые взыскательные требования по экономии топлива и состояния окружающей среды.
Производя очень гибкий вид энергии – электричество, топливные ячейки касаются жизни каждого человека и наполняют кожноденне ее жизнь и все ветви современной экономики. Если бы топливно-комірчані технологии были бы уже внедрены, как предлагалось автором правительству Украины еще в 2000 году, Украина бы сейчас обходилась исключительно собственными энергетическими ресурсами и не имела бы того великого хлопот, который постиг ее в последнее время.
Чем же привлекают топливные ячейки?
Топливные элементы непосредственно преобразуют энергию, которая содержится в топливном газе и его окислители, в электричество. Они привлекают, прежде всего, своей экономичностью, экологической безопасностью, надежностью и простотой. На производство единицы электрической мощности топливные ячейки нуждаются почти втрое меньшее количество газа или другого топлива, чем нынешние тепловые станции. Они дают на порядки меньшие выбросы, особенно это заметно при сжигании угля. Срок бесперебойной работы станций на топливных ячейках уже сейчас в десятки раз больше, чем на существующих тепловых. Они являются идеальными источниками электроэнергии для децентрализованного снабжения. В сочетании с электрическими двигателями топливные ячейки являются также идеальными двигателями для транспортных средств, прежде всего автомобилей, эффективность использования топлива которыми увеличивается в 2-4 раза, не говоря уже о том, что они становятся легкими, тихими и практически безопасными для окружающей среды.
Известны, по крайней мере, одиннадцать типов топливных ячеек, которые отличаются, в основном, типом электролита. Конструктивное исполнение использования топливно-ячеистая эффекта добавляет значительное разнообразие в топливно-комірчану технологию.
Принцип действия топливной ячейки
С основами топливно-технологии топливных элементов можно ознакомиться в [2], или где-нибудь еще.
Работу топливной ячейки рассмотрим на керамическом (КПК или SOFC английском) ее варианте (рис. 2). На этом же рисунке указаны основные реакции, которые происходят в ячейке.
КПК работает при температуре выше 500 оС. Электролитом в ней есть пленка циркониевой керамики, которая является кислородно-ионным проводником. Она действует как твердый электролит между парой электродов в контакте с воздухом и топливом. Кислород берется из воздуха и йонізується на поверхности раздела электролитная керамика – катодный электрод. Ионы кислорода диффундируют через толщу разогретого циркониевой керамики и реагируют с составляющими топлива на электроде со стороны топлива, который называется анодом. Электроны высвобождаются на этом электроде и направляются дальше к катоду через внешнюю нагрузку, замыкая электрическую цепь.
Рисунок 2 – Принципиальная схема керамической топливной ячейки. ЭДС – электродвижущая сила.
Очевидно, что топливная ячейка принципиально вырабатывает постоянный электрический ток, который вырабатывается только тогда, когда он потребляется, что также является одной из причин экономии топлива.
Основными исходными продуктами топливных ячеек по определению являются вода и двуокись углерода. К тому же, за то, что рабочая температура современных керамических станций намного ниже 1000 оС, поэтому они совсем не образуют очень вредных оксидов азота, который попадает из воздуха (рис. 4).
Рисунок 3 – Эффективность преобразования газа в электричество двумя типами двигателей внутреннего сгорания, турбиной и керамическими топливными ячейками (по данным Всемирной Комиссии по Энергетике)
Рисунок 4 – Сравнение выбросов оксидов серы и азота, соединений водорода и пыли при сжигании угля и газа тепловыми и топливно-комірчаними станциями (по данным Всемирной Комиссии по Энергетике).
ТИПЫ ТОПЛИВНЫХ ЯЧЕЕК
Известно одиннадцать типов топливных элементов, типизированных по электролитом. Таблица 1 приводит данные о наиболее развитых из них.
Таблица 1 – Важнейшие потребительские данные некоторых типов топливных ячеек
| Тип ячейки, носитель заряда и электролит | Топливо и эффективность его использования | Типичное применение | Преимущества | Недостатки |
PEM
Полимерные ПК
H+, Nafion, 80oC
H2
CH3OH
35-40 %
Транспорт
Портативная Электроника Быт, Образование
Быстрый запуск
Простота системы
Низкая рабочая температура
Высокая стоимость
Низкая эффективность
Малый срок
AFC
Щелочные НК
OH-, KOH,
90-200oC
H2
Космос
Самая высокая плотность энергии
Отравляется CO2
PAFC
Фосфорно-кислотные ПК
H+, H3PO4, 200oC
H2
CH4
Стационарное
Различные топлива
Развитый
Быстрый пуск
Низкая плотность энергии
MCFC
Расплавлен-карбонатные ПК
CO3—, K2CO3, 650oC
H2
CH4
Стационарное
Высокая эффективность
Внутренний реформинг
Сложная система
SOFC
Керамические ПК
O—, ZrO2, CeO2,
550-1000oC
H2
CH4 (HxCy)
65-95 %
Стационарное
Транспорт
Другое разное
Высокая эффективность
Внутренний реформинг
Сложная система
Перспективными для Украины, особенно учитывая ее природные преимущества, стабильного керамические топливные ячейки. Они являются самыми дешевыми, эффективными и надежными. Они не нуждаются платины и могут потреблять все виды органического топлива.
Украина является единственной в Европе страной, которая владеет месторождением песка-циркона – сырья для изготовления циркониевой керамики. Украинское месторождение является третьим по величине в мире и крупнейшим во всей его северном полушарии. Украина имеет и свои залежи скандия, который является необходимым для обеспечения высокой преобразующей способности цирконии.
Если говорить о керамические ячейки, которые имеют шанс стать основным типом электрических генераторов за их надежность и неприхотливость к топливу, то можно считать, что они уже достигли поставленной цели в 40 тысяч часов, которое было определено мировым топливно-комірчаним сообществом и закреплено законодателем в этой области – Министерством энергетики США как предел, за которым должно начаться промышленное внедрение этой технологии. В прошлом году топливные ячейки, изготовленные Исследовательским Центром Юлих (FZJ), Германия, преодолели 60 тысячный рубеж, сейчас уже говорят о ~70 тысяч часов работы. Есть и успехи в облегчении условий работы ячеек. Созданы ячейки и отработанные технологии их изготовления для работы при 600 оС, что, бесспорно, существенно повлияет как на операционные возможности новых энергетических устройств, так и их цену.
Для своего изготовления топливные ячейки широко используют порошковые технологии для изготовления электродов или электролита. Здесь стоит напомнить «массы Нернста», из которых изготавливали «твердые» электролиты первых твердо-окисных топливных ячеек. Основой «масс Нернста» является двуокись циркония, стабилизированная 15 % двуокиси иттрия. За свою слишком высокую рабочую температуру (выше 1000 оС) те ячейки не могли обеспечить длительный срок их эксплуатации… Ученые искали другие способы осуществления топливно-ячеистая явления, прежде всего, подбирая приемлемые электролиты щелочные, кислотные, расплавлен-карбонатные, которые, очевидно, имеют свои коррозионные недостатки.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТОПЛИВНЫХ ЯЧЕЕК В УКРАИНЕ
«Критерием технического прогресса хозяйства отдельной страны является экономное использование сырья и энергии, которое означает эффективное и рациональное использование труда и увеличения ее производительности. Поэтому, одной из важнейших проблем нашей промышленности и энергетики является наилучшее использование топлива. А важнейшей задачей науки в отрасли энергетики должна стать борьба с нерациональным использованием химической энергии топлива, борьба с хищническим использованием энергетических ресурсов страны.
| Рисунок 5 – А.К. Давтян. Тост за учеников на праздновании двадцатилетия лаборатории топливных элементов Одесского Национального Университета им. И. Мечникова 20 января 1982 гокв. |
Коэффициент полезного действия паровой машины вряд ли может быть доведен до 30 %, а двигателя внутреннего сгорания – до 35 %. Между тем, термодинамические расчеты показывают, что полезная энергия, которая может быть получена в виде механической или электрической энергии – горение угля, составляет около 100 % (99,75 %).» [1])
Взятые в кавычки два предыдущих абзаца являются первыми и в книге «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую» [3] великого украинского ученого Оганеса Карапетовича Давтяна (рис. 5), столетие со дня рождения которого исполнилось 15 апреля 2010 г. Именно с ним связывают начало и успехи в развитии топливных ячеек в Украине.
А.К. Давтян принадлежит к когорте величайших ученых и исследователей топливных ячеек в 20 веке, которого Чехо-Словацкая академия наук своего времени представляла к Нобелевской премии, — за противодействия Москвы не произошло. Научному гению В.К. Давтяна принадлежит упомянутая уже книга, которая является первой в мире монографией из топливных ячеек, собственно из прямого преобразования химической энергии в электрическую, в которой он теоретически обосновал электрохимические процессы, которые происходят в топливных ячейках. Он впервые в мире разработал средне-температурную топливную ячейку – базовую составляющую современных электрохимических генераторов тока. Кстати, О.К. Давтян разработал признанную в мире теорию, так называемого, фундаментального поля, которое сочетает в себе электромагнитное и гравитационное поля. Он также является и автором первого в СССР учебника по квантовой химии.
Упоминаемая и цитируемая книга увидела свет в 1947 году. А впечатление от приведенных из нее слов такое, что писались они сегодня. Настолько они актуальны. В придачу упоминаются еще и «подарки мирного и экологически чистого атома»: 25 годовщина Чернобыльской трагедии, более свежая трагедия Фукусимы и т. п…
Разработки А.К. Давтяна были успешными. Его топливно-комірчані генераторы послужили не только развитию космических исследований как бывшего СССР, так и США, которые признают приоритет Давтяна. Тогда, в американских изданиях под заголовками «без тепла, дыма и шума» сообщалось, что в октябре 1959 года горюче-комірчаний трактор мощностью 20 лошадиных сил успешно пахал землю поля люцерны в Вест Алліс штата Висконсин (рис. 6). Он работал не на обычной электрической аккумуляторной батареи, но «на том, что было крупнейшим топливно-комірчаним устройством в мире». Эта батарея состояла из 1008 топливных ячеек. Со временем Allis-Chalmers Manufacturing Company подарила его Сміцонієвому музею, что в Вашингтоне, где его можно увидеть и сейчас.
Как сказка воспринимаются сейчас воспоминания о том, как к уже работающего в Одесском университете им. И.И. Мечникова А.К. Давтяна принесли какой-то американский журнал, в котором была упомянута статья с фотографией трактора, который «работает на ячейках Давтяна», что в дальнейшем послужило основным толчком в развертывании и ускорении работ с горюче-топливных элементов тематики в СССР и Украине в частности.
В Одесской Проблемной научно-исследовательской лаборатории топливных элементов еще во времена А.К. Давтяна были созданы различные генераторы мощностью от 100 Вт до 5 кВт (рис. 7), а уже позже, когда великий ученый вынужден был покинуть Одессу, были созданы демонстрационные модели – детский автомобиль, топливно-комірчаний двигатель к автомобилю в Черкассах, мопед на Львовском мотозаводе.
Основные достижения В.К. Давтяна касаются, прежде всего, электродов топливных ячеек, жидкие электролиты которых являются чрезвычайно агрессивными к материалам, с которыми они контактируют. Это горячие щелочи и расплавленные соли. Давтянова находка – смесь «отожженная Na2CO3, 27 % монацитного песка, 20 % WO3 и 10 % натриевого стекла» считается удачной. Можно прийти к выводу, говоря современным языком, используя эту смесь автору удалось решить проблему и электролита и анода топливной ячейки на расплавленных карбонатах одновременно.
Рисунок 6 – Трактор на топливно-комірчаному двигателе Allis-Chalmers («на ячейках Давтяна»), который использовался в сельском хозяйстве США в 1959 г.
Рисунок 7 – Мотоцикл с топливно-комірчаним двигателем Львовского мотозавода и испытания батареи топливных ячеек учеными ОНУ им. И.И. Мечникова, ученики О.К. Давтяна – А.П. Ютров, В.Г. Котєльников и В.Ю. Баклан.
О эти работы В.К. Давтяна широко стало известно лишь в последнее время. Они были сосредоточены исключительно в космической и военной областях с соответствующими последствиями для гражданского применения.
Вероятно, «успехи мирного атома» положили конец развитию топливно-топливных элементов генерации электричества в начале 80-х годов прошлого века…
Возродились топливные ячейки в Украине лишь в начале нового тысячелетия в Институте проблем материаловедения им. И.М. Францевича и в Институте высокомолекулярных соединений НАН Украины, когда в мире уже началось их широкое внедрение в гражданскую жизнь. Это фактически совпало с тем временем, когда стало понятно, что в топливно-комірчаній отрасли пришло время для материаловедов. Топливные ячейки как физическое явление требовало знаний относительно строения и поведения материалов с тем, чтобы оптимизировать не только их строение и свойства, но и значительно удешевить их. О достижениях украинских ученых идет речь в конце статьи.
ПРИМЕНЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЯЧЕЕК
Основными направлениями применения топливных ячеек являются стационарные электрические станции большой мощности, стационарные и передвижные станции малой мощности для децентрализованного энергоснабжения, топливно-комірчані источники тока для транспортных средств гражданского и военного назначения, переносные источники тока для потребителей типа радиотелефонов, компьютеров, источников кислорода и тому подобное вместо батарей.
Энергетические системы на топливных элементах имеют значительные преимущества: большая эффективность, низкие выбросы вредных веществ, лучшие нагрузочные возможности. Сейчас в мире уже используется множество мощных электрических станций различной мощности. По данным Всемирного Совета по Топливных Ячеек (Франкфурт) еще в 2000 году 75% из них установлены в Японии, 15 % — в Северной Америке и только 9 % — в Европе. В Японии уже работают станции мощностью 11, 5 и 1 МВт. В 1997 году российский «Газпром» тоже приобрел одну топливно-комірчану электрическую станцию ONSI PS25, A United Technologies, USA, мощностью 200 кВт.
Исследования в мире сейчас сконцентрированы на развитии топливных элементов различной мощности для стационарных и передвижных станций и сочетание их с газовыми турбинами. Комбинация этих двух устройств предлагает значительный синергетический экономический эффект через увеличение эффективности использования топлива с 60 до 80 процентов со снижением выбросов оксидов азота и углерода до 2 миллионных долей (ppm) и снижением затрат на 25 % в сравнении с соответствующей одной лишь топливно-комірчаною системой.
Использование турбин дает возможность использовать исходную тепловую энергию и остаточное топливо на выходе топливной ячейки, как и повторное использование отходящих газов турбины топливной ячейкой. Керамическая топливная ячейка с ее более высокой рабочей температурой является лучшим кандидатом для такой пары.
Практически все ведущие автомобильные компании мира начали “гонку” по созданию машин с горюче-комірчаними двигателями. Примером была президентская программа США «План для топливных ячеек при перевозке», которая нацелена на создание топливно-комірчаних транспортных средств. США еще в 1993 году поставили цель втрое повысить эффективность использования топлива.
Большинство крупных автомобильных компаний, которые раньше только присматривались и не верили в успех в применении топливно-комірчаних технологий, втянулись в водоворот конкурентной борьбы за новый рынок, каким является рынок топливно-комірчаних автомобилей. Так, наконец топливно-ячеистая процессу присоединилась и компания BMW, которая вместе с американской компанией Delphi, канадской Global Thermoelectric и французской Renault уже создали первые образцы автомобилей именно на стабильного керамических топливных ячейках.
Из-за того, что топливные ячейки являются тихими, гибкими и работают при сравнительно низкой температуре, они являются идеальными для использования в самолетах «стелс (исподтишка)». Топливные ячейки также разрабатываются для подводных и надводных лодок и других различных военных целей. Производя 30 тысяч ячеек «однородно высокого качества» на год, фирма Сименс еще в 1996 году подписала контракт на поставку четырех топливно-комірчаних батарей мощностью 34 кВт для подводных лодок нового класса 212.
Через выборочное пропускание через себя кислорода стабильного керамическая топливная ячейка является идеальным средством для производства кислорода. Сейчас уже существуют образцы малогабаритных переносных ґенераторів кислорода для больных, которые могут работать не только от электрической сети, но и от батарей. Тем самым впервые появилась возможность постоянного обеспечения больных кислородом, который уже не будет “привязан” к кислородному баллону или сети электрического тока.
Удельная мощность топливно-комірчаних батарей вдвое выше, чем у лучших батарей. Это чрезвычайно расширило применение топливных элементов малой мощности, например, в разведывательных мікролітаках или для измерения количества алкоголя в крови и дыхании человека при контроле дорожного движения, или же даже в имплантируемых стимуляторах работы сердца, которые не требуют батареек, так как электричество производят из глюкозы крови пациента.
автономные топливно-комірчані источники электрического тока
Учитывая модульный характер самих топливных ячеек, источники тока на их основе могут быть любой мощности от микроватт до мегаватт, оптимизированы до любого применения.
История создания отдельного топливно-ячеистая источники электрического тока чрезвычайно богата и интересна. Она завершается созданием целого ряда так называемых APU – auxiliary power unit – вспомогательных или автономных источников тока (АДС) различной мощности для транспортных нужд, среди которых 10 кВт-ни системы являются одними из наиболее развитых. Подобные же системы стационарного применения, где увеличенной доля тепловой энергии, зовут CHP – combined heat and power – комбинированные тепло и электричество.
Такие системы, или устройства, уже используются в самых различных отраслях техники, транспорта, промышленности, быта и тому подобное. Их использование действительно является экономным, тихим, надежным и экологически привлекательным. Красноречивым достижением здесь является разработка компании Boeing [1], о которой уже говорилось выше (рис. 1) и которая с 2015 года идет на замену существующей системы обеспечения самолетов электричеством, основой чего сейчас есть турбина. Основными аргументами в пользу применения топливно-ячеистая источники электрического тока вместо традиционного термо-механического, который, используя типичное жидкое авиационное топливо Jet-A, впечатляющая экономия топлива, тихая работа и низкие выбросы вредных веществ (NOx, CO2, CO и др) в воздух.
СВОЙСТВА ТОПЛИВНО-КОМІРЧАНИХ АДС
Интересным является и применение топливных ячеек в автомобилях вместо обычных двигателей внутреннего сгорания. Даже беглый обзор имеющихся данных указывает на чрезвычайно большое многообразие применения топливных элементов в различных отраслях техники. На рис. 8 рядом с автомобилями BMW и Renault изображен топливно-комірчаний энергетический блок компании Delphy, который был разработан еще в начале 2000-х годов.
Рисунок 8 – Автомобили Renault и BMW, баллон с топливным газом и топливно-комірчаний энергетический блок Delphy размером 40х40х40 см3 (на переднем плане), изготовлен из топливных ячеек канадской компании Global Thermoelectric по лицензии Juelich Research Center, Германия.
Со временем приоритеты несколько изменились и топливные ячейки начали применять для изготовления вспомогательных источников тока. Примером здесь также может служить система Delphi.
Основными параметрами системы АДС Delphy являются:
| Мощность | — 1-100 кВт | Топливо | — Газ пропан |
| Эффективность | — 60 % | Рабочая температура | — 700 оС |
| Срок работы | — 40 000 часов | Удельная мощность | — 3 кГ/кВт |
| Запуск от КТ | — 30 мин | Плотность мощности | — 1,35 л/кВт |
| Запуск с подготовкой | — 5 мин | Размер ячеек | — 15 х 15 см2 |
| Изменение мощности мин-макс | — 1 сек | Размер блока | — 40 х 40 х 40 см3 |
С батареей Delphi [4], которая состоит из 30 керамических ячеек и интегрирована с паровым реформером InnovaTek, CO2 сорбентом TDA Research и высокотемпературным продувником R&D Dynamics, используя жидкое топливо S-8 были достигнуты следующие показатели:
| × мощность горюче-топливных элементов батареи | > 1 kW |
| × эффективность топливных ячеек | > 50 % |
| × использование топлива S-8 | > 75 % |
| × использование кислорода | > 90 % |
| × рабочая температура | 750 – 800 °C |
| × плотность тока | 0.5 – 0.7 A/см2 |
| × плотность мощности | 1.75 кВт/л |
| × нормальное напряжение ячейки | 0.7 – 0.8 В |
| × размер ячейки | 15 x 15 см |
| × производственная стоимость батареи | $200 / кВт |
Ниже изображен батарею керамических топливных ячеек и всей дополнительной энергетической системы Delphi (рис. 9а) с такими параметрами: мощность – 3,6 кВт; вес – 70 кГ; объем – 63 л. Это APU разработаны специально для тяжелых грузовиков, которое обеспечивает их дополнительные потребности во время стоянок, холодильника, персонала, связи и тому подобное. Полный старт этой системы от комнатной температуры составляет 3 часа; в режиме «standby» – 10 минут.
Основой АДС является топливная ячейка и составленная из них батарея. Одна из последних разработок компании Delphi, которые сейчас предлагаются и рекламируются [6], состоит из двух батарей, подобных изображенной на рис. 9а, которые могут использоваться как стационарными, так и передвижными, транспортными системами.
Батареи производятся двух типов, Delphi Gen 3 Stack и Delphi Gen 4 Stack, которые отличаются как своей мощностью, так и размерами. По своему дизайну эти батареи являются модульными, поэтому они являются идеальными для интеграции в мощные АДС различного назначения. Они, кстати, признаны также пригодными и для космических программ NASA [7].
Эти батареи могут работать на водороде, природном газе, бензине, дизельном топливе, біопаливах тому подобное, то есть на всех топливах, которые в своей основе имеют углеводороды и не важно, находятся ли они то в газовом, то в жидком состоянии. Жидкие топлива перед употреблением их топливными ячейками реформируются до газового состояния, увлажняются и доочищаются от серы и тому подобное.
| а |
| б | в |
Рисунок 9 – Батарея Delphi с 30 керамическими топливными ячейками (а) и внутренний вид блока топливно-ячеистая АДС Delphi (б) и его размещение между колесами грузовика (в) [5].
Свойства батарей Delphi, полученные на опыте производства 30 тысяч ячеек:
| — Мощность батарей: | |
| × Delphi Gen 3 Stack | — 1,5 кВт |
| × Delphi Gen 4 Stack | — 9,0 кВт |
| — Размер активной зоны ячеек: | |
| × Delphi Gen 3 Stack | — 105 см2 |
| × Delphi Gen 4 Stack | — 403 см2 |
| — Плотность мощности: | — 500 мВт/см2 = 5 кВт/м2 |
| — Гарантированный срок работы: | — 40 000 часов |
| — Количество термических циклов: | — не менее 200 |
| — Механическая надежность, полученная за вибрационными испытаниями: | — эквивалент пробега больше 3 миллиона моль. |
Рисунок 10 – Первая Европейская грузовик AVL с топливно-комірчаним АДС, разработана по Европейским проектом DESTA «Demonstration of 1st European SOFC Truck APU» в партнерстве — AVL, Eberspächer, Volvo, TOFC, FZJ. Демонстрационные пробеги оптимизированного АДС в грузовике Volvo Truck HD начались в 2014 году [8].
Основой транспортных и стационарных средств, которые производит другой мировой производитель – компания AVL, керамические топливные ячейки с электролитом со скандієвою стабилизацией – 10ScSZ.
| × Электрическая мощность | — 3 кВт | |
| × Тепловая мощность | — 10 кВт | |
| × Электрическая эффективность | — 35 % | |
| × Горючее | — Европейское дорожное дизельное | |
| × Содержание серы | — < 10 ppm | |
| × Объем | — 75 л | |
| × Вес | — 60 кг | |
| × Шум | — < 55 дб (A) | |
| × Производитель ячеек | — Topsoe Fuel Cell, Denmark | |
| × Срок действия | — 8 000 часов |
Рисунок 11 – Топливно-комірчана энергетическая система АДС AVL и ее свойства [9].
топливно-комірчані энергетические системы в армии
Газовые топливно-комірчані системы является несравненно более легкими и энергетически ємнішими в сравнении с металлическими, как видно из представленной ниже диаграммы на рис. 12.
Рисунок 12 – Диаграмма соотношения плотности энергии и веса отдельных источников тока
Ниже приведены примеры топливно-комірчаних источников электрического тока, которые уже сейчас применяются в армии США.
На рис. 13а показано мобильный источник электрического тока на плоских керамических топливных ячейках. Напряжение – 12 В, мощность 50 Вт. Вес – 4,5 кГ. Начинает работать после разогрева в течение 15 минут. Топливом является бытовой газ пропан из баллона 410 мл, которого хватает на 36 часов работы. Может также работать на керосині, дизельном топливе или на горючем NATO JP-8.
На рис. 13б показано переносную систему мощностью 20 Вт, которая заняла 2 место в конкурсе Министерства обороны США в 2008 году на легче всего источник электрического тока. Система построена на трубчатых керамических элементах.
а б
|
|
Рисунок 13 – Примеры применения топливно-комірчаних источников тока в амуниции воинов армии США.
а – переносной генератор на 50 часов работы; б – переносной генератор мощностью 20 Вт в заплічнику; в – робот на топливно-комірчаному источнике тока во время боя. По данным Интернет-ресурсов США и РФ.
То, что топливно-комірчані системы является, как и батарейки, тихими даже при большой их мощности, делает их чрезвычайно привлекательными для создания мобильных военных средств нового поколения – танков, легких средств передвижения – мотоциклов или велосипедов, летательных аппаратов, роботов и тому подобное.
Вы можете себе представить мощный танк, который движется бесшумно? Трудно себе представить…
Позарез нужны и тихие БТР с большой электрической мощностью…
Армия США уже использует танки, которые двигаются топливно-комірчаними двигателями.
Ниже, на рис. 14 показаны образцы военной техники, которая использует энергетические системы на керамических топливных ячейках.
| Непилотируемый самолетик Stalker XE –
питается от батареи керамических ячеек. × Топливо: газ пропан × Груз: около 1 кГ × Время полета: 8+ часов × Высота: до 5 км × Скорость: 72 км/час × Взлетный вес: 11 кГ × Размах крыла: 3,6 м Производитель: Lockheed Martin Источник: S. J. McPhail, L. Leto, C. Boigues-Muñoz. Dossier. The yellow pages of SOFC technology. International Status of SOFC deployment. 2012-2013, ENEA, Italy, p.21, [7]. |
Робот PackBot UGV AM – разведывательная топливно-комірчана систе-ма, способная за 12 часов преодолеть 64 км.
Такая же система с питанием от обычных батарей может работать только 2,5 часа и преодолевать расстояние лишь 12,8 км. Производитель: iRobot
Источник: S. J. McPhail, L. Leto, C. Boigues-Muñoz. Dossier. The yellow pages of SOFC technology. Internati-onal Status of SOFC deployment. 2012-2013, ENEA, Italy, p.8, [7]. |
|
Бронированный транспортер. Производитель топливно-ячеистая двигателя: AVL Fuel Cell Engineering ; Источник: AVL SOFC System, Development and Testing Fuel Cell Seminar 2012, Uncasville, CT, USA, 7th of Nov. 2012, [8] |
Солдаты двигаются на бесшумных топливно-комірчаних мотоциклах
|
| Танк TARDEC-TACOM
Работает на жидком топливе JP-8. Мощность – 10 кВт электричества Применение: Тихое наблюдение
Производитель: ALTEX TECHNOLOGIES CORPORATION
Источник: K. Lux. 1-10 kWe Fuel-Cell-Based APU Systems for Distillate Fuels. Presented by Altex Technologies Corporation [9]. |
Рисунок 14 – Примеры военного оборудования и применения топливно-комірчаних АДС различных назначений.
ПОСЛЕДНИЕ БИЗНЕС НОВОСТИ
Возможно, последние события, которые произошли в компании Дженерал Электрик (GE), США, определят недалекое будущее топливных ячеек. К этому времени GE не была замечена в большой привязанности к топливно-ячеистая бизнеса, если не упоминать ее участие в древних космических программах.
22 и 24 июля 2014 года, по крайней мере так нам стало известно [10], Дженерал Электрик выступила с заявлениями, из которых можно понять, что она выходит на прю с ведущими производителями керамических топливных ячеек в сегменте мощностей 1 – 10 мегаватт, где, прежде всего, вспоминается успешный миллиардный долларовый start up Bloom Energy, который стремительно ворвался в топливно-комірчаний рынок несколько лет спустя и начал агрессивную пропагандистскую кампанию по распространению своей продукции, где немалую роль играют правительственные факторы США и даже правитель Калифорнии Арнольд Шварценеггер лично.
Заявлено буквально следующее, что ученые Дженерал Электрик разгадали одну важную тайну в технологии керамических топливных ячеек. Этот прорыв позволил компании начать в северной части штата Нью Йорк, вблизи Saratoga Springs, строительство нового пилотного производства и исследовательского центра. Ни много, ни мало, дословно сформулировано – «разработана технология скоро начнет вырабатывать электричество во всем мире».
Новая система генерации электричества может достичь небывалого ранее уровня в 65 %. Общая эффективность может достигать 95 %, когда система будет использовать сопутствующее тепло. Основная конфигурация системы может генерировать энергию от 1 до 10 мегаватт.
Топливно-комірчаний бизнес вырос из исследовательского центра GE Global Research, которым сейчас руководит Johanna Wellington, головиа топливно-ячеистая бизнеса компании. Именно в это время в помещениях пилотного производства устанавливается оборудование для роботизированного термического напыления, испытательные станции, скрин-принтеры, башенные танки для сохранения газов и тому подобное. Команда запускает пилотное оборудование, руководствуясь, как Веллингтон говорит «ментальностью старт-ап’у» – «У всех нас есть скорость, ловкость и сфокусированность, типичные для малого старт-ап’у, чтобы использовать возможности крупной компании эффективно.»
Достижения украинских ученых
Керамические топливные ячейки является сложным слоистым многофункциональным композитом, слои которого выполняют одновременно разные и протиречиві задачи. Топливные ячейки должны работать при достаточно высокой (>600 °С) температуре; один их сторону должно находиться в восстановительном, речь здесь идет о анод, а другой катод, находится в окислительном среде. Оба электрода должны быть поруватими (40 % и более). Перегородкой между ними является электролит, который должен быть практически абсолютно плотным, чтобы предотвратить прямой взаимодействии газов, причем максимально тонким (менее 10 мкм), чтобы обеспечить минимальное внутреннее сопротивление источника электрического тока.
Создание и оптимизация топливных ячеек требует усилий специалистов из различных областей материаловедения: керамики, металлов, пленок, керметів и керамических композитов, плотных и пористых; механического поведения в разной среде — окислительном и восстановительном, при термическом и механическом циклуванні; катализа и электрохимии; коррозии; газовых и тепловых потоков. Нужны также и специалисты по испытанию топливных ячеек и дизайнеры для создания модулей и батарей топливных элементов различной мощности и назначения.
В Украине фактически сложился и уже много лет действует неформальный институт из керамических топливных ячеек, который исследует и разрабатывает топливно-комірчані материалы и процессы, насколько это позволяет возможно в Украине финансирование. Кроме специалистов Института проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАН Украины, создания и исследования топливных ячеек привлекаются специалисты из Физико-механического института им. Г.В. Карпенко, Львов, и Института физической химии им. Л.В. Писаржевского, Киев, НАН Украины, Украинского государственного химико-технологического университета, Днепропетровск, Инженерно-физического факультета НТУУ КПИ, Киев, и Специального конструкторско-технологического бюро Института проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, Киев. Время от времени привлекаются к сотрудничеству и специалисты Донецкого физико-технического института им. А.А. Галкина НАН Украины.
Украинцы ученые имеют существенный задел в разработке как материалов, так и полных КПК из украинского сырья. Они были первыми, кто уже в независимой Украине возобновили секретные ранее топливно-комірчані исследования и изготовили первую стабильного керамическую топливную ячейку. В сотрудничестве с ведущими специалистами мира и при финансовой поддержке Европейского Союза и НАТО были разработаны стабильного керамические электролиты состава 10Sc1CeSZ, которые специалистами признаны одни из лучших в мире по своей электрической проводимостью, а применение электронно-лучевого осаждения пленок электролита на поруватий анод NiO-ZrO2 обеспечивает ячейкам высокую общую удельную проводимость на уровне 0,65 ом·см2 при 600 °С и низкое натекание гелия меньше 10-4 мбар·л·см-2·с-1.
Более того, на базе Инженерно-физического факультета Национального технического университета «Киевский политехнический институт» начата подготовка соответствующих специалистов по учебному курсу «Материалы возобновляемой энергетики», начало чему было положено весной 2012 года двухнедельным курсом лекций «Керамические топливные ячейки» международного Института передовых студий, до которого при поддержке НАТО были привлечены ведущие профессора и специалисты мира.
На рис. 15 показано излом керамической топливной ячейки, общий вид которой показан на рис. 16, изготовленной с применением ленточного литья анода и электронно-лучевого осаждения пленки электролита и магнетронного осаждения катода. Обнаружена с помощью взлома структура ячейки проявляет как высокую плотность соединений между электролитом и электродами, так и самого электролита, что обеспечивает низкое внутреннее сопротивление всей ячейки и ее высокие преобразовательные свойства, о которых свидетельствуют данные испытаний (рис. 17).
Оценивая эти данные, следует иметь в виду, что они получены не на чистом водороде, а на разбавленном аргоном. В испытаниях использовали модельный топливный газ – смесь 5 об.% H2 + 95 об.% Ar. Эта смесь используется, учитывая технику безопасности работы с водородом в не приспособленном для работы с водородом в лабораторном помещении. То есть, для получения представления о мощности источника тока при заправке его полноценным, не разбавленным водородным топливом, показаны данные плотности тока нужно умножить примерно на 20.
Рисунок 15 – Вид излома керамической топливной ячейки с 10Sc1CeSZ пленочным электролитом, осадженим на поруватий анод с помощью электронного луча в сканирующем электронном микроскопе.
Рис. 16 дает представление о строении стабильного керамического преобразователя. На анод (зеленого цвета), который является носителем всей ячейки, методом электронно-лучевого напыления нанесен тонкий (~10 мкм) пленку электролита (белого цвета), на который нанесен катод (верхняя пленка черного цвета) методом трафаретной печати.
Рисунок 16 – Вид топливной ячейки со стороны ее катода.
Рисунок 17 – Зависимость напряжения на образце и плотности мощности от плотности тока при потоке воздуха 0,25 л/мин и модельного топлива Ar – 5-об. % H2 0,25 и 1,5 л/мин при 800 oC.
Испытания топливных ячеек и батарей осуществляются на испытательном стенде (рис. 18). Этот уникальный для Украины устройство дает возможность испытать преобразователи в зависимости от температуры процесса, параметров потоков топлива и кислорода (воздуха), увлажнение, нагрузки и тому подобное.
Рисунок 18 – Общий вид стенда Medusa, Scribner, США, для испытания топливных элементов и их батарей.
Для демонстраций был сконструирован и изготовлен портативный КПК-генератор электричества с батареей из 5-ти ячеек для работы с природным газом от переносного баллончика мощностью 10 Вт туристического назначения, внешний вид и внутренности после испытаний которого изображена на рис. 19. Рабочая температура батареи топливных ячеек составляет ~600 оС.
| а |
| б |
Рисунок 19 – Внешний вид переносного топливно-ячеистая источники электрического тока мощностью 10 Вт с напряжением ~3,5 В (а) и его батарея из 5 ячеек после испытаний (б).
Приведенные данные вместе с приобретенным опытом убеждают, что в Украине есть все основания для организации успешного производства керамических топливных элементов и энергетических систем на их основе.
Цитируемые ссылки:
1. Dave Daggett. Commercial Airplanes: Fuel Cell APU. Overview. Презентация на SECA Annual Meeting (Seattle, WA, USA), 15 April, 2003.
2. Fuel cell technology handbook. Ed. G. Hoogers. CRC Press, USA. – 2003, 332 p.
3. А.К. Давтян, Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую, вид. АН СССР, М-Л, 1947, — 145 с.
5. Delphi Solid Oxide Fuel Cell Stack с
6. John H. Scott. The development of fuel cell technology for nasa’s human spaceflight program. Presentation at the Conference: IEEE Globecom, Houston, TX, USA, 8 December, 2011.
7. S. J. McPhail, L. Leto, C. Boigues-Muñoz. Dossier. The yellow pages of SOFC technology. International Status of SOFC deployment. 2012-2013, ENEA, Italy.
8. J. Rechberger, M. Hauth, M. Reissig. AVL SOFC System. Development and Testing. Презентация на Fuel Cell Seminar 2012, Uncasville, CT, 7 November 2012.
9. K. Lux. 1-10 kWe Fuel-Cell-Based APU Systems for Distillate Fuels. Presented by Altex Technologies Corporation.
10. The New Power Generation: This Fuel Cell Startup Could Spark a Revolution. GE
11. Есть.М. Бродніковський, М.М. Бричевський, А.Д. Васильев и др. Керамическая топливная ячейка на металлокерамической основе. Фундаментальные проблемы водородной энергетики / под ред. В.Д. Походенка, В.В. Скорохода, Ю.М. Солонина. – К: КИМ, – 2010. – С. 425-447.
12. O. Vasylyev, M. Brychevskyi, A. Smirnova et al. Structural, mechanical, and electrochemical properties of doped Ceria Scandia stabilized Zirconia. / — Material Science of Nanostructures, 1 70-80 (2011).
Васильев А.Д., д.ф.-м.н., проф.,
инициатор топливно-ячеистая движения в Украине
Института проблем материаловедения
им И.М. Францевича НАН Украины
вул. Кржижановского, 3
Киев-142, 03142
тел: +380 44 424 0294
факс: + 380 44 424 2131