Статья: Энергетические установки на базе топливных элементов. Перспективы применения
В 1970–1980-х годах английская фирма Varta разработала и испытала несколько ЭЭУ мощностью от 0,1 до 5 кВт, имеющих ресурс около 4000 часов.
Впервые успешная попытка использования ЭЭУ с ЭХГ в качестве источника энергии для подводного аппарата была предпринята в США фирмой United Technologies Corp. (UTC), которая по заказу ВМС США создала в 1974 году ЭЭУ на базе ТЭЩЭ для подводной лодки «Дип квест», спроектированного фирмой «Локхид» [5]. В составе ЭЭУ были использованы водородно-кислородные топливные элементы со щелочным электролитом. Водород и кислород хранились в газообразном состоянии под давлением в стальных сферических емкостях.
Первый позитивный опыт американских фирм послужил толчком к активизации разработок ЭЭУ с ЭХГ в европейских странах, в первую очередь в ФРГ, которые в наибольшей степени заинтересованы в развитии подводных лодок с неатомной энергетикой.
Фирма Siemens в 1980-е годы на базе матричных водородно-кислородных ТЭ разработала транспортные ЭЭУ мощностью 6, 17,5 и 48 кВт, а также ЭЭУ для подводного аппарата мощностью более 300 кВт. ТЭ фирмы Siemens работали при температуре 95 оС, давлении водорода и кислорода 300 кПа и имели ресурс в пределах 10000 часов.
Параллельно с разработкой ЭХГ в Германии в 80-х годах были успешно решены технические вопросы по разработке систем хранения водорода и кислорода на борту подводной лодки. Эти исследовательские и опытно-конструкторские работы были выполнены консорциумом, созданным фирмами Howaldtswerke-deutche Werft AG (HDW), Ferrostaal AG (FS) и Inggenieurcontor Lubek (IKL). Проведенные вариантные проработки систем хранения водорода и кислорода показали, что наиболее приемлемыми вариантами являются: хранение кислорода в криогенном состоянии в специальных емкостях, а водорода – в адсорбированном виде в интерметаллидных (металлогидридных) соединениях [5]. Создание систем хранения водорода и кислорода таких типов представляло собой совершенно новую техническую задачу, так как опыт применения на подводных аппаратах такой техники отсутствовал.
На основании успешных результатов наземных испытаний Федеральное бюро ФРГ по военной технологии (BWB) вынесло решение об установке ЭЭУ с ЭХГ на подводных лодках проекта 205 (U-1). К корпусу была добавлена секция, содержащая энергоустановку с ЭХГ.
В 1988 г. модернизированная лодка сошла со стапелей и успешно прошла ходовые испытания [5].
В 90-х годах немецкие фирмы прекратили разработки корабельных ЭЭУ с ТЭЩЭ и сконцентрировались на создании ЭЭУ на базе ТЭ с твердополимерным электролитом (ТПТЭ).
В СССР (а затем в России) разработкой ЭЭУ с ТЭЩЭ для подводных лодок занималось ленинградско-петербургское ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения» (СКБК), назначенное правительством в 1978 году головным предприятием страны по ЭЭУ с ЭХГ для морских объектов. До 1986 года было разработано несколько типов энергоустановок с доведением их до макетных и опытных образцов основного оборудования.
В дальнейшем работы по одной из энергоустановок – ЭЭУ «Кристалл-20» с низкотемпературными ТЭ с жидким щелочным электролитом и газобаллонными системами хранения водорода и кислорода под давлением до 40 МПа мощностью 130 кВт были продолжены и завершены в полном объеме в 1991 году, ЭЭУ отработала в стендовых условиях и была сдана Госкомиссии [2, 6]. Продолжением работ ОАО «СКБК» по ЭЭУ явилась разработка энергоустановки с низкотемпературными ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 300 кВт – ЭЭУ «Кристалл-27» (рис. 3) [2].
Объем выполненных работ по состоянию на конец 2000 года составил около 70%, включая незавершенный технический проект ЭЭУ и значительный объем опытных работ по основным системам и оборудованию ЭЭУ.
В 2002 году на экспериментальной базе ОАО «СКБК» была создана действующая стендовая модель ЭЭУ на базе ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 25 кВт и проведены демонстрационные испытания, результаты которых позволили рекомендовать разработанную ЭЭУ к использованию в качестве энергоустановки для малой подводной лодки.
ЭЭУ на базе ТЭЩЭ также были разработаны для энергоснабжения пилотируемых космических объектов. В США такие ЭЭУ были созданы фирмой UTC [1], а в России – Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) совместно с Российской космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева [1, 7]. Эти ЭЭУ отличаются от корабельных меньшей мощностью, энергоемкостью и ресурсом ТЭ.
Анализ литературных источников свидетельствует о том, что к началу 1990-х годов большинство фирм и исследователей, работавших в области создания ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭЩЭ, эти работы прекратили. Это объясняется следующими причинами: необходимостью использования чистого водорода и кислорода, применения в больших количествах платиновых катализаторов, относительно невысоким ресурсом, сложностью использования низкопотенциальной теплоты, генерируемой в ТЭ, и в конечном счете высокими капитальными затратами (ориентировочная стоимость 1 кВт установленной мощности ЭЭУ составляет более 10000 долларов США).
В последнее время, например в [1], сообщается о возобновлении работ по использованию созданных для космических целей ЭХГ для электромобилей на базе автомобилей «Нива» и «Бычок» (совместные работы УЭХК, РКК «Энергия», ОАО «АвтоВАЗ» и ОАО «ЗИЛ»).
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
В топливных элементах с твердополимерным электролитом (ТПТЭ) ионным проводником является ионообменная мембрана с проводимостью по ионам водорода (протонам).
Впервые ЭХГ с ТПТЭ были разработаны американской фирмой General Electric Co. для космического корабля Geminy. ЭЭУ включала в себя ЭХГ, систему криогенного хранения топлива и окислителя и аккумуляторную батарею. В ЭХГ входили три батареи ТПТЭ мощностью 1,8 кВт и напряжением 25–30 В. Масса батареи была 31 кг, ресурс – 2000 ч.
Позднее наибольших успехов в разработке ЭЭУ с ТПТЭ достигли фирмы UTC совместно с Los-Alamos National Laboratory (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) [1].
Так, фирмой Siemens в 1990-х годах была успешно завершена разработка ЭЭУ для подводной лодки U-1 на базе ЭХГ с ТПТЭ. Учитывая положительные результаты натурных испытаний подводной лодки U-1 с такой энергоустановкой, в ФРГ фирмы HDW и Thyssen выполнили проектирование и строительство новых лодок проекта 212. В настоящее время в составе ВМС Германии находятся две подводные лодки проекта 212 с комбинированной энергоустановкой, включающей энергоустановку с ЭХГ, а еще две готовятся к спуску на воду [6].
В 2001–2006 годах фирмы UTC (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) создали также опытные образцы стационарных ЭЭУ с ТПТЭ мощностью от одного до сотен киловатт для объектов малой энергетики. Удельная мощность ЭЭУ при длительной нагрузке составляет 100–400 Вт/кг, ресурс – 5000–20000 часов, доля мощности на собственные нужды в зависимости от назначения и режима эксплуатации 10–20 %. Стоимость демонстрационных образцов ЭЭУ составляет по разным оценкам 4000–5000 долларов США. В СССР, а затем в России разработками ЭЭУ с ТПТЭ занимались в УЭХК, в Институте электрохимии РАН, в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ ВНИИЭФ), в Российском национальном центре «Курчатовский институт», в Московском энергетическом институте (МЭИ), а также в ОАО «СКБК». Наибольших практических результатов по созданию действующих образцов ЭЭУ с ТПТЭ в России добились специалисты направления водородной энергетики ОАО «СКБК» под руководством В.Б. Авакова.
В 2003 г. направление водородной энергетики ОАО «СКБК» вошло в состав ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ»).
В настоящее время ФГУП «ЦНИИ СЭТ» является единственной в России организацией, обладающей совместно со сложившейся кооперацией соисполнителей реальным опытом создания и сдачи государственной комиссии ЭЭУ с ЭХГ. Так, в 2004–2005 годах были разработаны аванпроекты ЭЭУ для резервного электроснабжения потребителей мощностью 5 кВт и ЭЭУ для комбинированного электро- и теплоснабжения электрической мощностью 5 кВт и тепловой мощностью 7 кВт [2, 8]. На рис. 4 в качестве примера представлены некоторые проектные решения ФГУП «ЦНИИ СЭТ».
В 2005–2006 годах по заказу Федерального агентства по науке и инновациям, в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002–2006 годы» (направление «Энергетика и энергосбережение»), ФГУП «ЦНИИ СЭТ» совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» был разработан и создан опытный образец блочно-модульной ЭЭУ с ТПТЭ мощностью 10 кВт, которая в настоящее время проходит испытания на стендах ФГУП «ЦНИИ СЭТ». Ее рабочая температура составляет 30–80 ОС; давление 0,12 МПа, ресурс – 10000 ч. Основой ЭЭУ являются разработанные по новой технологии ФГУП «ЦНИИ СЭТ» при участии ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» водородновоздушные топливные элементы с твердополимерным электролитом.
На рис. 5 представлено конструктивное исполнение батареи топливных элементов. Следует отметить, что в настоящее время ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» обладает значительным научным заделом по технологиям создания ТПТЭ, а между ФГУП «ЦНИИ СЭТ» и ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» существует соглашение о совместных исследованиях в области водородной энергетики, в том числе и по вопросам создания ЭЭУ.
В следующем номере журнала авторы рассмотрят устройство и практическую реализацию проектов ЭЭУ на базе топливных элементов с фосфорно-кислым электролитом, ЭЭУ на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом и ЭЭУ на базе топливных элементов с твердооксидным электролитом.
Список литературы