РАЗРАБОТКА В РКК «ЭНЕРГИЯ» им. С. П. КОРОЛЕВА ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Б. А. Соколов, С. А. Худяков
РКК «Энергия» им. С. П. Королева, ул. Ленина, 4А, Королев, Московская обл., 141070, Россия Телефон: (095) 513-65-81, факс: (095) 513-61-38, e-mail: Sergey.Hudyakov@rsce.ru
Работы по созданию энергоустановок (ЭУ) на основе топливных элементов (ТЭ) в РКК «Энергия» начались с решения космических задач, при этом были последовательно разработаны энергоустановки для Лунного орбитального корабля Советской Лунной экспедиции (РКК «Энергия» совместно с УЭХК, 1967.. .1972 годы, N = 3 кВт, U = 30 В, W = 200 кВт-ч) и для многоразового космического корабля «Буран» (РКК «Энергия» совместно с УЭХК, 1976.1991 годы, N =40 кВт, U = 30 В, W = 2000 кВт-ч). В результате был решен ряд сложных научно-технических проблем:
• разработана конструкторская, технологическая и эксплуатационная документация и освоены производство, экспериментальная отработка и эксплуатация ЭУ с электрохимическими генераторами (ЭХГ) с криогенным хранением водорода и кислорода;
• исследованы различные способы хранения водорода и кислорода (газобаллонное, в химически связанном состоянии, криогенное докритичес-кое и сверхкритическое) и выбраны оптимальные для данной задачи криогенное докритическое хранение кислорода и криогенное сверхкритическое хранение водорода;
• созданы криогенные системы хранения водорода и кислорода, обеспечивающие длительное безрасходное хранение компонентов с минимальными теплопритоками, а при работе ЭХГ — вообще без паразитных потерь;
• создана легкая, компактная, высоконадежная водородная и кислородная арматура, работающая как при криогенных, так и при нормальных температурах;
• разработаны методы вибропрочностных, ударных, тепловакуумных, климатических и ресурсных испытаний ЭУ с ЭХГ, обеспечивающих всестороннюю наземную отработку, чем гарантируется их надежное функционирование в космических условиях;
• создана стройная система комплексного проектирования, изготовления, сборки, приемосдаточных испытаний (сначала на газообразных, а затем на криогенных компонентах) ЭУ с ЭХГ и далее их испытаний в составе космического корабля на техническом и стартовом комплексах космодрома «Байконур» с параллельным контролем из Центра управления космическими полетами;
• разработана конструкторская, технологическая и эксплуатационная документация и освоено серийное производство щелочных топливных элементов,
батарей топливных элементов и ЭХГ на их основе, при этом:
— исследованы различные типы ТЭ и выбраны оптимальный тип и конструкция ТЭ для данной ЭУ;
— разработаны высокоэффективные катализаторы для водородно-кислородных ТЭ;
— разработаны металлокерамические никелевые электроды с высокой однородностью пор;
— обеспечено точное регулирование тепломассообмена в ТЭ с матричным электролитоносителем для обеспечения их длительной устойчивой работы;
• разработана технология и освоено производство криогенных водорода и кислорода особой чистоты (99,9999% — Н2, 99,999 % — 02); разработаны и освоены методы и аппаратура контроля их чистоты;
• созданы оборудование и инфраструктура транспортировки, хранения и заправки криогенных водорода и кислорода; разработаны и проверены требования и нормативная документация по безопасному хранению и эксплуатации криогенных водорода и кислорода.
Таким образом, после завершения разработки ЭУ с ЭХГ для орбитального корабля «Буран» в 1990...1991 гг. в СССР были созданы фундаментальные научно-технические, проектно-конструкторские, производственно-технологические и экспериментальные основы и сформирована кооперация предприятий для развития новейшего вида энергетики — энергоустановок на основе топливных элементов. Такой высокий уровень разработок по ЭУ с ЭХГ в то время был только в США.
В дальнейшем РКК «Энергия» включилась в разработку энергоустановок на основе топливных элементов для:
• подводных аппаратов (транспортно-спасатель-ных, водолазных и глубоководных) ЦКБ «Лазурит» (РКК «Энергия» совместно с УЭХК, 1991... 1993 годы, N =20 кВт, U =30 В). Технические предложения по подледному транспортно-спасательному подводному аппарату с энергоустановкой на основе топливных элементов защищены в Управлении аварийно-спасательных работ ВМФ в 1991 году;
• электромобилей ОАО «АвтоВАЗ» (РКК «Энергия» совместно с УЭХК, 2000.2003 годы). В 2001 г. завершена работа по энергоустановке для пятидверной «Нивы» («АНТЭЛ-1», N =15 кВт,
v 7 длит. 7
N =25 кВт, U =115-150 В, PH O = 300 кгс/см2,
макс. ' ' H2,Ü7
пробег при одной заправке 200 км). В августе 2003 г.
Электрохимические системы для электромобилей
завершается изготовление энергоустановки для легкового автомобиля одиннадцатой модели («АНТЭЛ-2», N =18 кВт, N =40 кВт, U =180-280 В,
' длит. ' макс. ' '
PH = 400 кгс/см2, пробег при одной заправке 300 км);
H2
• малоразмерного автобуса «Бычок» ОАО «ЗИЛ» в соответствии с Постановлением Правительства Москвы по «Городской целевой программе использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002.. .2004 годы». Раздел «Создание транспортных средств с энергоустановками на основе электрохимических генераторов с водородно-воздушными топливными элементами» (РКК «Энергия» совместно с УЭХК, N =25 кВт, N =100 кВт, и=180-280 В,
длит. ' макс.
PH = 400 кгс/см2, пробег при одной заправке 300 км);
• децентрализованного электротеплоснабжения различных стационарных потребителей:
— совместный проект РКК «Энергия» и Минатома РФ «Программа разработки, изготовления и поставки на опытную эксплуатацию демонстрационного образца энергоустановки с твердополимерны-ми топливными элементами мощностью 3.5 кВт» утвержден в 2001 году президентом РКК «Энергия» Ю. П. Семеновым и первым заместителем Министра Минатома РФ В. Б. Ивановым. В соответствии с Приказом Министра Минатома РФ для предприятий Минатома РФ начато финансирование этой программы в 2002 г. Работы РКК «Энергия» пока не профинансированы, так как РАО «Норильский никель» приостановил свои обязательства финансировать эту часть программы;
— РКК «Энергия» совместно с Российской компанией «Индепендент Пауэр Технолоджис» разработала и изготовила промышленный прототип энергоустановки на основе топливных элементов с щелочным циркулирующим электролитом, работающей на водороде и атмосферном воздухе (NmH = 5,6 кВт, U = 29,5-33 В). В июле-сентябре 2003 г. планируются ее ресурсные демонстрационные испытания в Бельгии для ознакомления широкого круга возможных потребителей и инвесторов.
В США, Японии, Германии, Италии, Китае и ряде других стран имеются государственные программы по энергоустановкам на основе топливных элементов для:
• космических кораблей (США — «Джемини», «Аполлон» и «Шаттл»);
• децентрализованного электротеплоснабжения различных народно-хозяйственных объектов (поселки газовиков и нефтяников, поселки сельского и городского типа, коттеджи, отели, больницы, отдельные дома и микрорайоны в крупных городах и т. д.);
• автомобильного и других видов транспорта;
• подводных аппаратов и подводных лодок (Германия — вспомогательная ЭУ для дизельной подводной лодки).
В настоящее время в России необходимо развивать работы по созданию энергоустановок на основе щелочных и твердополимерных топливных элементов для:
• электротеплоснабжения различных стационарных потребителей (поселки газовиков, нефтяников и геологов, наземные и морские буровые, поселки сельского и городского типа, леспромхозы, животноводческие фермы, коттеджи, отдельные дома и микрорайоны в крупных городах);
• эффективных накопителей электроэнергии (электрохимический генератор-электролизер воды) для солнечных и ветряных энергоустановок;
• электромобилей и других видов транспорта;
• подводных аппаратов (прежде всего, транспор-тно-спасательных);
• пилотируемых космических кораблей и водо-родно-кислородных ракетных разгонных блоков.
Основные научно-технические проблемы при создании таких энергоустановок связаны с созданием:
• твердополимерных топливных элементов и электрохимических генераторов на их основе для работы на водороде и воздухе, а также на продуктах риформинга легких углеводородов и воздухе;
• электрохимических генераторов на основе щелочных топливных элементов для работы на водороде и воздухе;
• криогенных систем хранения водорода и кислорода для подводных аппаратов и электромобилей;
• газобаллонных систем хранения водорода высокого давления (400.800 атм.) для автомобильного транспорта и подводных аппаратов;
• риформеров для получения водорода из природного газа, попутного нефтяного газа, газового конденсата, биогаза, метанола, демитилэфира, бензина и др. углеводородов для стационарных и транспортных энергоустановок;
• суперконденсаторов и сильноточных аккумуляторных батарей для систем аккумулирования и рекуперации энергии в электромобилях;
• энергоустановок для стационарных потребителей, автомобилей и других видов транспорта, подводных аппаратов, космических кораблей и ракетных разгонных блоков.
Основными организациями, занимающимися разработкой энергоустановок на основе щелочных и твер-дополимерных топливных элементов и их составляющих, являются: РКК «Энергия», УЭХК, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ИВЭПТ РНЦ «Курчатовский институт», ГП «Красная звезда», НПО «Луч», «Индепендент Пауэр Технолоджис», МНПО «Эконд», ОАО «АВЭКС», «Пластполимер», НАМИ.
Указанные организации в тесном взаимодействии друг с другом могут решить все перечисленные выше научно-технические проблемы.
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Выводы
1. Научный, проектно-конструкторский и технологический уровень в области энергоустановок на основе топливных элементов в России в настоящее время еще достаточно высок.
2. Если в самое ближайшее время не будет обеспечено государственное и/или какое-либо другое финансирование, то Россия на долгие годы (или навсегда) отстанет от развитых стран в области новейшего вида энергетики — энергоустановок на основе топливных элементов.
Предложения
Разработка Федеральной целевой программы по развитию в России энергоустановок на основе топливных элементов для различных отраслей наро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.