ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
создание энергоустановок с эхг для автомобильного, железнодорожного транспорта: современный уровень и прогноз развития
В.М. Гришин1, И.Н. Глухих1, В.А. Никитин1, Б.А. Соколов1, А.Н. Старостин1, С.В. Чернов1, А.Н. Щербаков1, Г.А. Фофанов2, Д.Н. Григорович2
*РКК «Энергия» им. С.П. Королева, Ленина, д. 4. г. Королёв М.О., Россия, 141070 Тел.:(495) 513-66-92, факс: (495) 513-61-38, email:post2@RSCE.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта
Введение
Энергоустановки на топливных элементах впервые были созданы в 60-х годах прошлого века для космических программ США и СССР. При этом в основном применялись и применяются низкотемпературные щелочные топливные элементы, работающие на водороде и кислороде [1, 2].
Энергоустановки с ЭХГ этого типа обладают высоким КПД, способностью к перегрузке, включая ток короткого замыкания, небольшим расходом топлива на «холостом» ходу. Отсутствуют изнашиваемые движущиеся детали, что обеспечивает малое время регламентных работ, бесшумность рабочего процесса, экологическую чистоту всего жизненного цикла изделия. Эта совокупность достоинств позволяет с большой эффективностью применить энергоустановки этого типа в качестве силовых установок перспективных наземных транспортных средств: автомобилей, локомотивов, в морской технике.
Успехи, достигнутые в космосе, всегда стимулировали инженеров на применение топливных элементов для наземного транспорта, начиная с первых поколений ЭХГ. Например, в шестидесятых годах прошлого века фирма General Motors в Детройте показала действующий автомобиль на топливных элементах. Двигатель развивал мощность 32 кВт, а пробег от заправки до следующей заправки составлял около двухсот километров.
Работы по этому проекту прекратились в связи с общими неблагоприятными условиями для применения топливных элементов, такими как низкие цены на нефть и практически полное отсутствие заботы о защите окружающей среды.
Следующий всплеск интереса к альтернативным силовым установкам на топливных элементах возник в 70-х годах в связи с мировым энергетическим кризисом и возникновением проблем с экологией. С тех пор многие разработчики не прекращают исследований в этой области. Работы по топливным элементам ведутся
в США, Японии, Германии, России, Италии, Канаде, Голландии и других странах.
Создание энергоустановок автомобильного транспорта в России
На Волжском автомобильном заводе работы по применению топливных элементов на автомобилях были начаты в 2000 году, а в 2001 году был изготовлен первый автомобиль на топливных элементах - «АНТЭЛ-1» [3, 4]. Энергоустановка была создана в РКК «Энергия» на основе модернизированного ЭХГ «Фотон» (рис. 1) газобаллонной системы хранения водорода и кислорода, прошла полный цикл экспериментальной отработки (ФГУП УЭХК провел форсирование мощности ЭХГ с 10 до 25 кВт, повысил его напряжение с 28 В до 110 В). «АНТЭЛ-1» (рис. 2) собран на базе пятидверной Нивы. Плотная компоновка оборудования, проведенная конструкторами РКК «Энергия» и согласованная с конструкторами ОАО «АвтоВАЗ», позволила оставить в салоне пять мест. Пробег такого автомобиля на одной заправке составляет 200 км. Энергоустановка разместилась в багажнике автомобиля, а системы управления, тяговый двигатель и стартовая аккумуляторная батарея - под капотом. По сравнению с базовой моделью масса автомобиля увеличилась на 250 кг.
Рис. 1. ЭХГ «Фотон » на стенде РКК «Энергия»
Рис. 2. Автомобиль на топливных элементах «АНТЭЛ-1»
Работа с «АНТЭЛ-1» показала, что на достаточно быстрый разгон первому автомобилю на топливных элементах не хватает мощности. Для того чтобы исключить проблему, решили использовать буферный источник тока.
Рис. 3. Автомобиль на топливных элементах «АНТЭЛ-2»
Для нового автомобиля «АНТЭЛ-2» (рис. 3) была применена новая никель-металлгидридная аккумуляторная батарея с высокой удельной энергоемкостью (емкость батареи - 10 Ач) и напряжением 200 В, способная быстро заряжаться и разряжаться. Новая батарея позволила кратковременно увеличивать мощность при разгонах почти в два раза за счет энергии, «принятой» при торможении. Когда происходит торможение автомобиля, то кинетическая энергия превращается в «АНТЭЛ-2» в электрическую. Она заряжает аккумуляторную батарею. При разгоне энергия буферной аккумуляторной батареи подается на тяговый электродвигатель, дополняя энергию генератора.
«АНТЭЛ-2» проезжает без подзарядки 350 км. На его борту предусмотрена система хранения и подачи водорода, разработанная в РКК «Энергия» и оснащенная тремя композиционными баллонами, легкими и прочными, объемом 30 л каждый. Водород в них находится под давлением 400 атм.
В «АНТЭЛ-1» много времени уходило и на запуск установки, что было связано, в первую очередь, с условиями работы ЭХГ «Фотон» в составе комплекса «Энергия»-«Буран», поскольку модернизация генератора касалась лишь форсирования по мощности и повышения напряжения. Поэтому, чтобы автомобиль тронулся
с места, нужно было ждать около полутора часов, пока генератор разогреется до 60 оС (на полную мощность он выходит при 95 оС).
Время запуска автомобиля «АНТЭЛ-2» удалось сократить до 10-15 минут, поскольку на основе полученного опыта была проведена более глубокая модернизация, при которой, в частности, были использованы специальные нагреватели, установленные в контуре терморегулирования генератора. Питаются они от буферной батареи. При достижении топливными элементами температуры 60 оС включается генератор, который, работая, сам выделяет тепло; таким образом, время выхода на максимальную мощность сокращается.
«АНТЭЛ-2» укомплектован щелочным водородно-воздушным генератором на топливных элементах напряжением 240 В и мощностью 25 кВт, созданным в УЭХК. Система оснащена компрессором, способным подавать 100 кг воздуха в час в батарею топливных элементов под давлением 3,3 атм. Поскольку для функционирования щелочного ЭХГ требуется удаление из воздуха углекислого газа, в РКК «Энергия» была изготовлена система очистки воздуха. Все узлы и системы энергоустановки автомобиля разместились под полом и в подкапотном пространстве.
Заправка водородом автомобилей «АНТЭЛ-1», «АНТЭЛ-2» осуществляется от опытной заправочной станции высокого давления, разработанной в РКК «Энергия».
Работы по созданию энергоустановок для автомобильного и специального транспорта в развитых странах
Автобусная компания GVB (г Амстердам, Нидерланды) в рамках программы GUTE (чистый городской транспорт для Европы) проверяет в эксплуатации автобусы на твер-дополимерных топливных элементах мощностью 210 кВт (рис. 4). Изготовила автобусы компания Daimler Chrysler. Для получения мощности используются две установки по 105 кВт с выходным напряжением по 900 В. Одна установка на 105 кВт состоит из 6 батарей ТЭ по 160 элементов с напряжением 0,9 В каждый. Расчетный ресурс -5000 ч, фактический обычно не указывается и составляет, по разным оценкам, от 500 до 3000 ч. Все водородное оборудование расположено на крыше автобуса (рис. 5). С автобуса сняли дизель, поставили топливные элементы и тяговый электродвигатель. Температурный диапазон работы автобусов составляет -35.. .+45 оС. Питание автобуса осуществляется водородом и воздухом, предварительно очищенным механическим фильтром. Воздушные фильтры батареи топливных элементов промывают один раз в год.
Водород хранят в 9 баллонах емкостью по 200 л под давлением 350 атм. Вес девяти баллонов составляет 1100 кг, а вес водорода в них - 44 кг, из которых только 40 можно использовать (до минимального давления). Внутри баллон сделан из алюминия толщиной 4,2 мм, намотки из синтетических нитей. Общая толщина стенки составляет около 20 мм. На испытаниях баллоны выдержали давление 1050 атм.
Рис. 4. Автобус Daimler Chrysler на топливных элементах
Рис. 5. Водородное оборудование на крыше автобуса Daimler Chrysler
Запуск топливных элементов на автобусах возможен при температуре не ниже +5 оС. Если температура ниже, автобус запускают на станции, включая электроподогрев через сеть. При отключении энергоустановки оставшийся в топливных элементах водород сбрасывают в воздух. Батареи топливных элементов для автобусов поставила канадская компания «Баллард» по цене 300 тыс. $ за 105 кВт. Для привода используется асинхронный двигатель и регулируемый инвертор (изготовлен в Калифорнии). Для управления энергоустановками используется микропроцессорный блок.
Средняя температура воздуха, охлаждающего батарею топливных элементов, составляет 67 оС. В холодное время года этот воздух используется для обогрева салона, в теплое - выбрасывается в окружающую среду вентиляторами, что снижает среднеэксплуатационный КПД энергоустановки. Без учета потерь тепла КПД энергоустановки на топливных элементах составляет 40-67 % на разных режимах работы.
В ходе эксплуатации выявлены недостатки топливных элементов данного типа: они не позволяют быстро сбросить мощность с максимума до минимума. В настоящее время Daimler Chrysler создает гибридный автобус с накопителем энергии, в котором указанный недостаток будет устранен. В этом случае мощность батареи топливных элементов составит 120 кВт, а
накопитель энергии будет компенсировать пиковые нагрузки и подзаряжаться на остановках. Такой автобус будет изготовлен к 2009 году. Daimler Chrysler считает, что коммерческое производство автобусов на топливных элементах будет налажено к 2012 году.
В рамках Федеральной программы CILIA «Freedom CAR» (CAR: Cooperative Automotive Research) были развернуты НИОКР по созданию серийных автомобилей на топливных элементах с твердым полимерным электролитом (PEMFC), а также по развитию инфраструктуры заправочных станций. В качестве альтернативного топлива рассматривался природный газ, который предполагалось конвертировать в риформерах непосредственно на автомобилях или на заправочных станциях. В дальнейшем в этих целях предполагалось использовать биогаз, низшие спирты и углеводороды, получаемые в результате ферментации органических отходов, а также другие возобновляемые ресурсы.
Практически эти идеи были реализованы:
• фирмой GMC в конце
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.