Паливні комірки і виробництво електрики та тепла ними

Найпершою "промисловою" технологією виробництва електрики у світі, вірогідно, є паливні комірки (fuel cell – англійською в оригіналі), які зародились на початку 19-століття в Об'єднаному королівстві і з легкої руки сіра William'a Grove'a в 40-х роках того ж століття були використані для живлення першого телеграфа між Європою і Америкою.

Переваги і досягнення паливно-комірчаної технології переконливо демонструються рис. 1, де зображені результати заміни традиційного, сіменсового, джерела електричної енергії, якої на сучасних літаках споживається багато, на паливно-комірчане, побудоване на керамічних паливних комірках. Очевидно, що паливно-комірчана система потребує керосину на 75 % менше, будучи до того ж ще й значно чистішою екологічно як за рівнем викидів шкідливих речовин, так і практично безшумною.

Компанія Боїнг почне запроваджувати цю паливно-комірчану систему вже у 2015 році [1]. З огляду на поточні події, важливим є й ще й те, що у 2015 році компанія Боїнг почне заміну і традиційного авіаційного палива на нове, штучне, яке вона вже почала виробляти з морських водоростей. Це біопаливо виявилось кращим і енергетично, і екологічно, що у поєднанні з дійсно безмежними можливостями Світового Океану робить цю енергетичну пару Боїнга – паливні комірки і біопаливо – революційною.

Паливна комірка є електрохімічним пристроєм, який, поєднуючи паливний газ (водень, будь-який вуглеводневий газ, сірководень чи метангідрат Чорного моря, шахтний метан чи металургійний газ, аміак чи його сполуки) з окиснювачем (кисень з повітря тощо), виробляє електрику, тепло, воду і гази – оксиди речовин, сполучених з воднем у паливі тощо. До речі, ці вихідні гази можуть бути використані для гасіння пожеж).

За принципом своєї дії така "газова" паливна комірка є подібною до звичайної електричної батарейки, яка також є паливною коміркою, але на відміну від неї газова комірка не "виробляється" і її не треба перезаряджати. Вона працює доти, доки до неї підводяться паливні та окиснювальні гази.

Перетворення газів в електрику відбувається в комірці без спалювання. Паливний газ (наприклад, водень) порівняно повільно окиснюється, не вступаючи у прямий контакт з киснем, тому паливні комірки є високоефективними, екологічно чистими і тихими. Горіння паливного газу або ж його вибухова поведінка у паливній комірці є принципово неможливими, оскільки і паливний, і окиснювальний газ вступають у реакцію лише дифузією контрольованим чином через абсолютно щільну перегородку.

 image001.jpg


Рисунок 1 – Щодо порівняння ефективності використання рідкого палива літаками Боїнг зі звичайними і паливно-комірчаними генераторами електрики [1]. APU то є auxiliary power unit, тобто допоміжне джерело енергії.

 

ПАЛИВНО-КОМІРЧАНЕ ЯВИЩЕ

В основі технології паливно-комірчаного виробництва електрики лежить так зване паливно-комірчане явище, яке зазвичай поки що звуть "тепловим ефектом хімічної реакції". Мало кому ще в Україні відомо, що та теплова енергія, яка й становить відомий "тепловий ефект реакції", перед тим як стати теплом, складалася принаймні з двох частин, власне, теплової енергії та електричної енергії. Причому, електрична частина енергії переважала теплову майже вдвічі. Оскільки електрика не була використана, вона врешті-решт і перетворилася в тепло, яким люди все своє життя і гріються біля своїх печей, отруюючи чадним та вуглецевим газами себе і все навколо.

Вже майже 200-річний досвід, а особливо його останній 50-річний відтинок, використання яскраво свідчить, що паливні комірки є революціонізуючою енергетичною технологією для промисловості, побуту і усіх видів транспорту, медицини, військової справи тощо. Вони здатні задовольнити найвибагливіші вимоги щодо економії палива і стану довкілля.

Виробляючи дуже гнучкий вид енергії – електрику, паливні комірки стосуються життя кожної людини і проймають кожноденне її життя і усі гілки сучасної економіки. Якби паливно-комірчані технології були б вже запроваджені, як пропонувалося автором урядові України ще у 2000 році, Україна б зараз обходилась виключно власними енергетичними ресурсами і не мала би того великого клопоту, який спіткав її останнім часом.

Чим же приваблюють паливні комірки?

Паливні комірки безпосередньо перетворюють енергію, яка міститься у паливному газі і його окиснювачі, в електрику. Через це вони притягають, перш за все, своєю економічністю, екологічною безпекою, надійністю та простотою. На виробництво одиниці електричної потужності паливні комірки потребують майже втричі меншу кількість газу чи іншого палива, ніж теперішні теплові станції. Вони дають на порядки менші викиди, особливо це помітно при спалюванні вугілля. Термін безперебійної роботи станцій на паливних комірках вже зараз у десятки разів більший, ніж на існуючих теплових. Вони є ідеальними джерелами електричної енергії для децентралізованого постачання. У поєднанні з електричними двигунами паливні комірки є також ідеальними двигунами для транспортних засобів, перш за все автомобілів, ефективність використання палива якими збільшується у 2-4 рази, не кажучи вже про те, що вони стають легкими, тихими і практично безпечними для довкілля.

Відомими є принаймні одинадцять типів паливних комірок, які відрізняються, в основному, типом електроліту. Конструктивне виконання використання паливно-комірчаного ефекту додає значне різноманіття у паливно-комірчану технологію.

 

Принцип дії паливної комірки

З основами паливно-комірчаної технології можна ознайомитися в [2], або деінде.

Роботу паливної комірки розглянемо на керамічному (КПК або SOFC англійською) її варіанті (рис. 2). На цьому ж малюнку вказані основні реакції, які відбуваються в комірці.

КПК працює при температурі вище 500 оС. Електролітом в ній є плівка цирконієвої кераміки, яка є киснево-іонним провідником. Вона діє як твердий електроліт між парою електродів у контакті з повітрям та паливом. Кисень береться з повітря і йонізується на поверхні розділу електролітна кераміка – катодний електрод. Йони кисню дифундують через товщу розігрітої цирконієвої кераміки і реагують зі складовими палива на електроді з боку палива, який зветься анодом. Електрони вивільняються на цьому електроді і прямують далі до катоду через зовнішнє навантаження, замикаючи електричне коло.

 2.jpg

Рисунок 2 – Принципова схема керамічної паливної комірки. ЕРС – електрорушійна сила.

Очевидно, що паливна комірка принципово виробляє постійний електричний струм, який виробляється лише тоді, коли він споживається, що також є однією з причин економії палива.

Основними вихідними продуктами паливних комірок за визначенням є вода та двоокис вуглецю. До того ж, через те, що робоча температура сучасних керамічних станцій є набагато нижчою за 1000 оС, тому вони зовсім не утворюють дуже шкідливих оксидів азоту, який потрапляє з повітря (рис. 4).

2.jpg

Рисунок 3 – Ефективність перетворення газу в електрику двома типами двигунів внутрішнього згоряння, турбіною та керамічними паливними комірками (за даними Світової Комісії з Енергетики)

image004.png

Рисунок 4 – Порівняння викидів оксидів сірки та азоту, сполук водню та пилу при спалюванні вугілля та газу тепловими і паливно-комірчаними станціями (за даними Світової Комісії з Енергетики).

ТИПИ ПАЛИВНИХ КОМІРОК

Відомо одинадцять типів паливних комірок, типізованих за електролітом. Таблиця 1 наводить дані щодо найрозвиненіших з них.

Таблиця 1 Найважливіші споживчі дані деяких типів паливних комірок

 

Тип комірки, носій заряду та електроліт

Паливо та ефективність його використання

Типове застосування

Переваги

Недоліки

 

 

 

 

 

PEM

Полімерні ПК

H+, Nafion, 80oC

H2

CH3OH

35-40 %

Транспорт

Портативне Електроніка Побут, Освіта

Швидкий запуск

Простота системи

Низька робоча температура

Висока вартість

Низька ефективність

Малий термін

AFC

Лужні ПК

OH-, KOH,

90-200oC

H2

Космос

Найвища щільність енергії

Отруюється CO2

PAFC

Фосфорно-кислотні ПК

H+, H3PO4, 200oC

H2

CH4

Стаціонарне

Різні палива

Найрозвиненіший

Швидкий пуск

Низька щільність енергії

MCFC

Розплавлено-карбонатні ПК

CO3--, K2CO3, 650oC

H2

CH4

Стаціонарне

Висока ефективність

Внутрішній реформінг

Складна система

SOFC

Керамічні ПК

O--, ZrO2, CeO2,

550-1000oC

H2

CH4 (HxCy)

65-95 %

Стаціонарне

Транспорт

Інше різне

Найвища ефективність

Внутрішній реформінг

Складна система

 

Перспективними для України, особливо з огляду на її природні переваги, є цирконієво-керамічні паливні комірки. Вони є найдешевшими, найефективнішими і найнадійнішими. Вони не потребують платини і можуть споживати усі види органічного палива.

Україна є єдиною у Європі країною, яка володіє родовищем піску-циркону – сировини для виготовлення цирконієвої кераміки. Українське родовище є третім за розмірами у світі і найбільшим у всій його північній півкулі. Україна має і свої поклади скандію, який є необхідним для забезпечення високої перетворюючої здатності цирконії.

Якщо говорити про керамічні комірки, які мають шанс стати основним типом електричних генераторів через їхню надійність та невибагливість до палива, то можна вважати, що вони вже досягли поставленої мети в 40 тисяч годин, яку було визначено світовим паливно-комірчаним співтовариством і закріплено законодавцем у цій галузі – Міністерством енергетики США як межа, за якою має розпочатися промислове впровадження цієї технології. У минулому році паливні комірки, виготовлені Дослідним Центром Юліх (FZJ), Німеччина, подолали 60 тисячний рубіж, зараз вже говорять про ~70 тисяч годин роботи. Є й успіхи у полегшенні умов роботи комірок. Створені комірки і відпрацьовані технології їх виготовлення для роботи при 600 оС, що, безперечно, істотно вплине як на операційні можливості нових енергетичних пристроїв, так і їхню ціну.

Для свого виготовлення паливні комірки широко використовують порошкові технології чи то для виготовлення електродів, чи то електроліту. Тут варто нагадати "маси Нернста", з яких виготовляли "тверді" електроліти перших твердо-окисних паливних комірок. Основою "мас Нернста" є двоокис цирконію, стабілізована 15 % двоокису ітрію. Через свою занадто високу робочу температуру (вище 1000 оС) ті комірки не могли забезпечити тривалий термін їхньої експлуатації… Науковці шукали інші способи здійснення паливно-комірчаного явища, перш за все, підбираючи прийнятні електроліти – лужні, кислотні, розплавлено-карбонатні, які, очевидно, мають свої корозійні вади.

 

ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ПАЛИВНИХ КОМІРОК В УКРАЇНІ

"Критерієм технічного прогресу хазяйства окремої країни є економне використання сировини і енергії, яке означає найефективніше і найраціональніше використання праці і збільшення її продуктивності. Тому, однією з найважливіших проблем нашої промисловості і енергетики є якнайкраще використання палива. А найважливішим завданям науки в ґалузі енергетики має стати боротьба з нераціональним використанням хімічної енергії палива, боротьба з хижацьким використанням енергетичних ресурсів країни.

image005.png

Рисунок 5 – О.К. Давтян. Тост за учнів на святкуванні двадцятиріччя лабораторії паливних комірок Одеського Національного Університету ім. І. Мечнікова 20 січня 1982 року.

Коефіцієнт корисної дії парової машини навряд чи може бути доведений до 30 %, а двигуна внутрішнього згоряння – до 35 %. Між тим, термодинамічні розрахунки показують, що корисна енергія, яка може бути отримана у вигляді механічної або електричної енергії – горіння вугілля, становить біля 100 % (99,75 %)." [1])

Взяті в лапки два попередніх абзаци є першими і в книзі "Проблема безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну" [3] великого українського вченого Оганеса Карапетовича Давтяна (рис. 5), сторіччя з дня народження якого виповнилось 15 квітня 2010 р. Саме з ним пов'язують започаткування і успіхи у розвиткові паливних комірок в Україні.

О.К. Давтян належить до когорти найвидатніших науковців і дослідників паливних комірок у 20 столітті, якого Чехо-Словацька академія наук свого часу представляла до Нобелівської премії, що через протидію Москви не відбулося. Науковому генію О.К. Давтяна належить згадана вже книга, яка є першою у світі монографією з паливних комірок, власне з прямого перетворення хімічної енергії в електричну, в якій він теоретично обґрунтував електрохімічні процеси, які відбуваються в паливних комірках. Він вперше у світі розробив середньо-температурну паливну комірку – базову складову сучасних електрохімічних генераторів струму. До речі, О.К. Давтян розробив визнану у світі теорію, так званого, фундаментального поля, яке поєднує у собі електромагнітне і гравітаційне поля. Він також є і автором першого в СРСР підручника з квантової хімії.

Згадана і цитована книга побачила світ у 1947 році. А враження від наведених з неї слів таке, що писались вони сьогодні. Настільки вони є актуальними. На додачу згадуються ще й "подарунки мирного і екологічно чистого атома": 25 роковини Чорнобильської трагедії, свіжіша трагедія Фукусіми тощо…

Розробки О.К. Давтяна були успішними. Його паливно-комірчані генератори прислужилися не тільки розвиткові космічних досліджень як колишнього СРСР, так і США, які визнають пріоритет Давтяна. Тоді, в американських виданнях під заголовками "без тепла, диму і шуму" повідомлялось, що у жовтні 1959 року паливно-комірчаний трактор потужністю 20 кінських сил успішно пахав землю поля люцерни у Вест Алліс штату Вісконсин (рис. 6). Він працював не на звичайній електричній акумуляторній батареї, але "на тому, що було найбільшим паливно-комірчаним пристроєм у світі". Ця батарея складалася з 1008 паливних комірок. З часом Allis-Chalmers Manufacturing Company подарувала його Сміцонієвому музеєві, що у Вашингтоні, де його можна побачити і зараз.

Як казка сприймаються зараз спогади про те, як до вже працюючого в Одеському університеті ім. І.І. Мечникова О.К. Давтяна принесли якийсь американський журнал, у якому була згадана стаття з фотографією трактора, який "працює на комірках Давтяна", що у подальшому послужило основним поштовхом у розгортанні і прискоренні робіт з паливно-комірчаної тематики в СРСР і Україні зокрема.

В Одеській Проблемній науково-дослідній лабораторії паливних комірок ще за часів О.К. Давтяна були створені різноманітні генератори потужністю від 100 Вт до 5 кВт (рис. 7), а вже пізніше, коли великий вчений змушений був залишити Одесу, були створені демонстраційні моделі – дитячий автомобіль, паливно-комірчаний двигун до автомобіля в Черкасах, мопед на Львівському мотозаводі.

Основні досягнення О.К. Давтяна стосуються, перш за все, електродів паливних комірок, рідкі електроліти яких є надзвичайно агресивними до матеріалів, з якими вони контактують. Це гарячі луги та розплавлені солі. Давтянова знахідка – суміш "відпалений Na2CO3, 27 % монацитного піску, 20 % WO3 і 10 % натрієвого скла" вважається вдалою. Можна дійти висновку, говорячи сучасною мовою, що використовуючи цю суміш авторові вдалося вирішити проблему і електроліту, і аноду паливної комірки на розплавлених карбонатах одночасно.

image006.png   image007.png

Рисунок 6 – Трактор на паливно-комірчаному двигуні Allis-Chalmers ("на комірках Давтяна"), який  використовувався у сільському господарстві США у 1959 р.

image008.pngimage009.png

Рисунок 7 – Мотоцикл з паливно-комірчаним двигуном Львівського мотозаводу та випробування батареї паливних комірок науковцями ОНУ ім. І.І. Мечникова, учні О.К. Давтяна – О.П. Ютров, В.Г. Котєльников та В.Ю. Баклан.

 

Про ці роботи О.К. Давтяна широко стало відомо лише останнім часом. Вони були зосереджені виключно у космічній та військовій галузях з відповідними наслідками для цивільного застосування.

Вірогідно, "успіхи мирного атому" поклали край розвиткові паливно-комірчаної генерації електрики на початку 80-х років минулого століття…

Відродилися паливні комірки в Україні лише на початку нового тисячоліття в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича та в Інституті високомолекулярних сполук НАН України, коли у світі вже почалося їхнє впровадження в широке цивільне життя. Це фактично співпало з тим часом, коли стало зрозуміло, що у паливно-комірчаній галузі настав час для матеріалознавців. Паливні комірки як фізичне явище потребувало знань щодо будови і поведінки матеріалів з тим, щоб оптимізувати не тільки їхню будову та властивості, але й значно здешевити їх. Про досягнення українських науковців йдеться наприкінці допису.

 

ЗАСТОСУВАННЯ ПАЛИВНИХ КОМІРОК

Основними напрямками застосування паливних комірок є стаціонарні електричні станції великої потужності, стаціонарні та пересувні станції малої потужності для децентралізованого енергопостачання, паливно-комірчані джерела струму для транспортних засобів цивільного та військового призначення, переносні джерела струму для споживачів типу радіотелефонів, комп’ютерів, джерел кисню тощо замість батарей.

Енергетичні системи на паливних комірках мають значні переваги: більша ефективність, нижчі викиди шкідливих речовин, кращі навантажувальні можливості. Зараз у світі вже використовується безліч потужних електричних станцій, різної потужності. За даними Світової Ради з Паливних Комірок (Франкфурт) ще до 2000 року 75 % з них встановлені в Японії, 15 % - у Північній Америці і тільки 9 % - у Європі. В Японії вже працюють станції потужністю 11, 5 і 1 МВт. У 1997 році російський "Газпром" теж придбав одну паливно-комірчану електричну станцію ONSI PS25, A United Technologies, USA, потужністю 200 кВт.

Дослідження у світі зараз сконцентровані на розвиткові паливних комірок різної потужності для стаціонарних та пересувних станцій і поєднання їх з газовими турбінами. Комбінація цих двох пристроїв пропонує значний синергетичний економічний ефект через збільшення ефективності використання палива з 60 до 80 відсотків із зниженням викидів оксидів азоту і вуглецю до 2 мільйонних часток (ppm) та зниженням витрат на 25 % у порівнянні з відповідною однією лише паливно-комірчаною системою.

Використання турбін дає можливість використати вихідну теплову енергію та залишкове паливо на виході паливної комірки, як і повторне використання вихідних газів турбіни паливною коміркою. Керамічна паливна комірка з її більш високою робочою температурою є найкращим кандидатом для такої пари.

Практично всі провідні автомобільні компанії світу розпочали “гонку” щодо створення машин з паливно-комірчаними двигунами. Прикладом була президентська програма США "План для паливних комірок при перевезенні", яка націлена на створення паливно-комірчаних транспортних засобів. США ще в 1993 році поставили за мету втричі підвищити ефективність використання палива.

Більшість потужних автомобільних компаній, які раніше тільки придивлялися і не вірили в успіх у застосуванні паливно-комірчаних технологій, втяглися у вир конкурентної боротьби за новий ринок, яким є ринок паливно-комірчаних автомобілів. Так, нарешті до паливно-комірчаного процесу приєдналася і компанія BMW, яка разом з американською компанією Delphi, канадською Global Thermoelectric та французькою Renault вже створили перші зразки автомобілів саме на цирконієво-керамічних паливних комірках.

Через те, що паливні комірки є тихими, гнучкими і працюють при порівняно низькій температурі, вони є ідеальними для використання в літаках "стелс (тишком-нишком)". Паливні комірки також розробляються для підводних та надводних човнів і інших різноманітних військових цілей. Виробляючи 30 тисяч комірок "однорідно високої якості" на рік, фірма Сіменс ще у 1996 році підписувала контракт на постачання чотирьох паливно-комірчаних батарей потужністю 34 кВт для підводних човнів нового класу 212.

Через вибіркове пропускання через себе кисню цирконієво-керамічна паливна комірка є ідеальним засобом для виробництва кисню. Зараз вже існують зразки малогабаритних переносних ґенераторів кисню для хворих, які можуть працювати не тільки від електричної мережі, а й від батарей. Тим самим вперше з’явилась можливість постійного забезпечення хворих киснем, який вже не буде “прив’язаний” до кисневого балону або мережі електричного струму.

Питома потужність паливно-комірчаних батарей вдвічі вища, ніж у найкращих батарей. Це надзвичайно розширило застосування паливних комірок малої потужності, наприклад, в розвідувальних мікролітаках або для вимірювання кількості алкоголю у крові та диханні людини при контролі дорожнього руху, або ж навіть у імплантованих стимуляторах роботи серця, які не потребують батарейок, оскільки електрику виробляють з глюкози крові пацієнта.

 

автономні паливно-комірчані джерела електричного струму

Зважаючи на модульний характер самих паливних комірок, джерела струму на їхній основі можуть бути будь якої потужності, від мікроват до мегават, оптимізовані до будь якого застосування.

Історія створення окремого паливно-комірчаного джерела електричного струму надзвичайно багата і цікава. Вона завершується створенням цілої низки так званих APU – auxiliary power unit – допоміжних або автономних джерел струму (АДС) різної потужності для транспортних потреб, серед яких 10 кВт-ні системи є одними з найрозвиненіших. Подібні ж системи стаціонарного застосування, де збільшеною є частка теплової енергії, звуть CHP – combined heat and power – об'єднані тепло і електрика.

Такі системи, чи пристрої, вже використовуються в самих різних галузях техніки, транспорту, промисловості, побуту тощо. Їхнє використання дійсно є економним, тихим, надійним і екологічно привабливим. Красномовним здобутком тут є розробка компанії Boeing [1], про яку вже йшлося вище (рис. 1) і яка з 2015 року йде на заміну існуючої системи забезпечення літаків електрикою, основою чого зараз є турбіна. Основними аргументами на користь застосування паливно-комірчаного джерела електричного струму замість традиційного термо-механічного, який, використовуючи типове авіаційне рідке паливо Jet-A, є вражаюча економія палива, тиха робота і низькі викиди шкідливих речовин (NOx, CO2, CO тощо) у повітря.

 

ВЛАСТИВОСТІ ПАЛИВНО-КОМІРЧАНИХ АДС

Цікавим є і застосування паливних комірок в автомобілях замість звичайних двигунів внутрішнього згоряння. Навіть побіжний огляд наявних даних вказує на надзвичайно велике різноманіття застосування паливних комірок у різних галузях техніки. На рис. 8 поруч з автомобілями BMW та Renault зображено паливно-комірчаний енергетичний блок компанії Delphy, який був розроблений ще на початку 2000-х років.

 image010.png

Рисунок 8 – Автомобілі Renault та BMW, балон з паливним газом і паливно-комірчаний енергетичний блок Delphy розміром 40х40х40 см3 (на передньому плані), виготовлений з паливних комірок канадської компанії Global Thermoelectric за ліцензією Juelich Research Center, Німеччина.

 З часом пріоритети дещо змінилися і паливні комірки почали застосовувати для виготовлення допоміжних джерел струму. Прикладом тут також може слугувати система Delphi.

 

Основними параметрами системи АДС Delphy є:

Потужність

-          1-100 кВт

Паливо

-          Газ пропан

Ефективність

-          60 %

Робоча температура

-          700 оС

Термін роботи

-          40 000 годин

Питома потужність

-          3 кГ/кВт 

Запуск від КТ

-          30 хв

Щільність потужності

-          1,35 л/кВт

Запуск з підготовкою

-          5 хв

Розмір комірок

-          15 х 15 см2

Зміна потужності мін-макс

-          1 сек

Розмір блоку

-          40 х 40 х 40 см3

З батареєю Delphi [4], яка складається з 30 керамічних комірок і інтегрована з паровим реформером InnovaTek, CO2 сорбентом TDA Research та високотемпературним продувником R&D Dynamics, використовуючи рідке паливо S-8 були досягнені такі показники:

 

×          потужність паливно-комірчаної батареї

­        > 1 kW

×          ефективність паливних комірок

­        > 50 %

×          використання палива S-8

­        > 75 %

×          використання кисню

­        > 90 %

×          робоча температура

­        750 – 800 °C

×          щільність струму

­        0.5 – 0.7 A/см2

×          щільність потужності

­        1.75 кВт/л

×          нормальна напруга комірки

­        0.7 – 0.8 В

×          розмір комірки

­        15 x 15 см

×          виробнича вартість батареї

­        $200 / кВт

Нижче зображено батарею керамічних паливних комірок та усієї додаткової енергетичної системи Delphi (рис. 9а) з такими параметрами: потужність – 3,6 кВт; вага – 70 кГ; об'єм – 63 л. Це APU розроблено спеціально для важких вантажівок, яке забезпечує їхні додаткові потреби під час стоянок, холодильника, персоналу, зв'язку тощо. Повний старт цієї системи від кімнатної температури становить 3 години; у режимі "standby" – 10 хвилин.

Основою АДС є паливна комірка та складена з них батарея. Одна з останніх розробок компанії Delphi, які зараз пропонуються і рекламуються [6], складається з двох батарей, подібних до зображеної на рис. 9а, які можуть використовуватися як стаціонарними, так і пересувними, транспортними системами.

Батареї виробляються двох типів, Delphi Gen 3 Stack і Delphi Gen 4 Stack, які відрізняються як своєю потужністю, так і розмірами. За своїм дизайном ці батареї є модульними, тому вони є ідеальними для інтеграції в потужні АДС різного призначення. Вони, до речі, визнані також  придатними і для космічних програм NASA [7].

Ці батареї можуть працювати на водні, природному газі, бензині, дизельному пальному, біопаливах тощо, тобто на усіх паливах, які у своїй основі мають вуглеводні і не важливо, чи знаходяться вони чи то у газовому, чи то у рідкому стані. Рідкі палива перед споживанням їх паливними комірками реформуються до газового стану, зволожуються і доочищаються від сірки тощо.



image011.png

а

 

image012.png

image013.png

б

в

Рисунок 9 – Батарея Delphi з 30 керамічними паливними комірками (а) та внутрішній вигляд блоку паливно-комірчаного АДС Delphi (б) та його розміщення між колесами вантажівки (в) [5].

 

Властивості батарей Delphi, отримані на досвіді виробництва 30 тисяч комірок:

 

-          Потужність батарей:

 

×          Delphi Gen 3 Stack

-              1,5 кВт

×          Delphi Gen 4 Stack

-              9,0 кВт

-          Розмір активної зони комірок:

 

×          Delphi Gen 3 Stack

-              105 см2

×          Delphi Gen 4 Stack

-              403 см2

-          Щільність потужності:

-              500 мВт/см2 = 5 кВт/м2

-          Гарантований термін роботи:

-              40 000 годин

-          Кількість термічних циклів:

-              не менше 200

-          Механічна надійність, отримана за   вібраційними випробуваннями:

-              еквівалент пробігу більше за 3 мільйони міль.


image014.png
Рисунок 10 – Перша Європейська вантажівка AVL з паливно-комірчаним АДС, розроблена за Європейським проектом DESTA "Demonstration of 1st European SOFC Truck APU" у партнерстві - AVL, Eberspächer, Volvo, TOFC, FZJ. Демонстраційні пробіги оптимізованого АДС у вантажівці Volvo HD Truck розпочались у 2014 році [8].

 

Основою транспортних і стаціонарних засобів, які виробляє інший світовий виробник – компанія AVL, є керамічні паливні комірки з електролітом зі скандієвою стабілізацією – 10ScSZ.

 

image015.png

×          Електрична потужність

-          3 кВт

×          Теплова потужність

-          10 кВт

×          Електрична ефективність

-          35 %

×          Пальне

-          Європейське шляхове дизельне

×          Вміст сірки

-          < 10 ppm

×          Об'єм

-          75 л

×          Вага

-          60 кг

×          Шум

-          < 55 дб (A)

 

×          Виробник комірок

-          Topsoe Fuel Cell, Denmark

 

×          Термін дії

-          8 000 годин

 

Рисунок 11 – Паливно-комірчана енергетична система АДС AVL та її властивості [9].

 

 

 

               паливно-комірчані енергетичні системи у війську

Газові паливно-комірчані системи є незрівнянно легшими і енергетично ємнішими у порівнянні з металевими, як видно з поданої нижче діаграми на рис. 12.

 image016.jpg

Рисунок 12 – Діаграма щодо співвідношення щільності енергії та ваги окремих джерел струму

 

Нижче наведено приклади паливно-комірчаних джерел електричного струму, які вже зараз застосовуються у війську США.

На рис. 13а показано мобільне джерело електричного струму на пласких керамічних паливних комірках. Напруга – 12 В, потужність 50 Вт. Вага – 4,5 кГ. Починає працювати після розігріву протягом 15 хвилин. Паливом є побутовий газ пропан з балону 410 мл, якого вистачає на 36 годин роботи. Може також працювати на керосині, дизельному пальному або на пальному NATO JP-8.

На рис. 13б показано переносну систему потужністю 20 Вт, яка зайняла 2 місце у конкурсі Міністерства оборони США у 2008 році на найлегше джерело електричного струму. Система побудована на трубчатих керамічних комірках.

 


image017.jpg

  image018.jpg                           

                               а                                                                                                                           б

 

image019.png

в

Рисунок 13 – Приклади застосування паливно-комірчаних джерел струму в амуніції вояків армії США.

а – переносний генератор на 50 годин роботи; б – переносний генератор потужністю 20 Вт у заплічнику; в – робот на паливно-комірчаному джерелі струму під час бою. За даними Інтернет-ресурсів США і РФ.

 Те, що паливно-комірчані системи є, як і батарейки, тихими навіть при великій їхній потужності, робить їх надзвичайно привабливими для створення мобільних військових засобів нового покоління – танків, легких засобів пересування – мотоциклів чи велосипедів, літальних апаратів, роботів тощо.

Ви можете собі уявити потужний танк, який рухається безшумно? Важко собі уявити…

Конче потрібні й тихі БТР з великою електричної потужністю…

Армія США вже використовує танки, які рухаються паливно-комірчаними двигунами.

Нижче, на рис. 14 показані зразки військової техніки, яка використовує енергетичні системи на керамічних паливних комірках.

 

image020.png

image021.png

Непілотований літачок Stalker XE –

живиться від батареї керамічних комірок.

×                     Паливо: газ пропан

×                     Вантаж: біля 1 кГ

×                     Час польоту: 8+ годин  

×                     Висота: до 5 км

×                     Швидкість: 72 км/годину

×                     Злітна вага: 11 кГ

×                     Розмах крила: 3,6 м

Виробник:  Lockheed Martin

Джерело:  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].

Robot PackBot UGV AM – розвідувальна паливно-комірчана систе-ма, здатна за 12 годин подолати 64 км.

Така ж сама система з живленням від звичайних батарей може працювати лише 2,5 години і долати відстань лише 12,8 км.

Виробник:  iRobot

 

Джерело:  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].

 

 image022.png

Броньований транспортер.

Виробник паливно-комірчаного двигуна:  AVL Fuel Cell Engineering ;

Джерело: AVL SOFC System, Development and Testing Fuel Cell Seminar 2012, Uncasville, CT, USA, 7th of Nov. 2012, [8]

 image023.png

Солдати рухаються на безшумних паливно-комірчаних мотоциклах

 

 


image024.png

Танк TARDEC-TACOM

Працює на рідкому паливі JP-8.

Потужність – 10 кВт електрики

Застосування: Тихе спостереження

 

Виробник:

ALTEX TECHNOLOGIES CORPORATION

 

 

 

Джерело: K. Lux. 1-10 kWe Fuel-Cell-Based APU Systems for Distillate Fuels. Presented by Altex Technologies Corporation [9].

Рисунок 14 – Приклади військового обладнання та застосування паливно-комірчаних АДС різних призначень.

 

ОСТАННІ БІЗНЕСОВІ НОВИНИ

Можливо, останні події, які відбулися в компанії Дженерал Електрик (GE), США, визначать недалеке майбутнє паливних комірок. До цього часу GE не була помічена у великій прихильності до паливно-комірчаного бізнесу, якщо не згадувати її участь у давніх космічних програмах.

22 і 24 липня 2014 року, принаймні так нам стало відомо [10], Дженерал Електрик виступила з заявами, з яких можна зрозуміти, що вона виходить на прю з провідними виробниками керамічних паливних комірок у сегменті потужностей 1 – 10 мегават, де, перш за все, згадується успішний мільярдний доларовий start up Bloom Energy, який стрімко увірвався в паливно-комірчаний ринок декілька років потому і почав агресивну пропагандивну кампанію з розповсюдження своєї продукції, де чималу роль грають урядові чинники США та навіть правитель Каліфорнії Арнольд Шварценеггер особисто.

Заявлено, буквально, таке, що науковці Дженерал Електрик розгадали одну важливу таємницю в технології керамічних паливних комірок. Цей прорив дозволив компанії розпочати у північній частині штату Нью Йорк, поблизу Saratoga Springs, будівництво нового пілотного виробництва і дослідного центру. Ні багато, ні мало, дослівно сформульовано – "розроблена технологія скоро почне виробляти електрику по всьому світі".

Нова система генерації електрики може досягти небувалого раніше рівня в 65 %. Загальна ефективність може сягати 95 %, коли система буде використовувати супутнє тепло. Основна конфігурація системи може генерувати енергію від 1 до 10 мегават.

Паливно-комірчаний бізнес виріс з дослідного центру GE Global Research, яким зараз керує Johanna Wellington, головиа паливно-комірчаного бізнесу компанії. Саме у цей час у приміщеннях пілотного виробництва встановлюється обладнання для роботизованого термічного напилення, випробувальні станції, скрін-принтери, баштові танки для збереження газів тощо. Команда запускає пілотне обладнання, керуючись, як Веллінгтон каже "ментальністю старт-ап'у" – "У всіх нас є швидкість, спритність та сфокусованість, типові для малого старт-ап'у, щоб використати можливості великої компанії ефективно."

 

Досягнення українських науковців

Керамічні паливні комірки є складним шаруватим багатофункціональним композитом, шари якого виконують одночасно різні і протиречиві завдання. Паливні комірки мають працювати при досить високій (>600 °С) температурі; один їхній бік має знаходитися у відновному, йдеться тут про анод, а другий – катод, знаходиться у окисному середовищі. Обидва електроди мають бути поруватими (40 % і більше). Перегородкою між ними є електроліт, який має бути практично абсолютно щільним, щоб запобігти прямій взаємодії газів, причому максимально тонким (менше 10 мкм), щоб забезпечити мінімальний внутрішній опір джерела електричного струму.

Створення і оптимізація паливних комірок потребує зусиль фахівців з різних галузей матеріалознавства: кераміки, металів, плівок, керметів і керамічних композитів, щільних і поруватих; механічної поведінки у різному довкіллі- окиснювальному і відновному, при термічному і механічному циклуванні; каталізу і електрохімії; корозії; газових і теплових потоків тощо. Потрібні також і фахівці з випробування паливних комірок і дизайнери для створення модулей та батарей паливних комірок різної потужності і призначення.

В Україні фактично склався і вже багато років діє неформальний інститут з керамічних паливних комірок, який досліджує і розробляє паливно-комірчані матеріали і процеси, наскільки це дозволяє можливе в Україні фінансування. Крім фахівців Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, до створення і дослідження паливних комірок залучаються фахівці з Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка, Львів, і Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського, Київ, НАН України, Українського державний хіміко-технологічного університету, Дніпропетровськ, Інженерно-фізичного факультету НТТУ КПІ, Київ, та Спеціального конструкторсько-технологічного бюро Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України, Київ. Час від часу залучаються до співпраці і фахівці Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України.

Українці науковці мають істотний доробок у розробленні як матеріалів, так і повних КПК з української сировини. Вони були першими, хто вже в незалежній Україні відновили секретні раніше паливно-комірчані дослідження і виготовили першу цирконієво-керамічну паливну комірку. У співпраці з провідними фахівцями світу та за фінансової підтримки Європейського Союзу та НАТО були розроблені цирконієво-керамічні електроліти складу 10Sc1CeSZ, які фахівцями визнані за одні з найкращих у світі за своєю електричною провідністю, а застосування електронно-променевого осадження плівок електроліту на поруватий анод NiO-ZrO2 забезпечує коміркам високу загальну питому провідність на рівні 0,65 ом·см2 при 600 °С та низьке натікання гелію менше за 10-4 мбар·л·cм-2·с-1.

Більше того, на базі Інженерно-фізичного факультету Національного технічного університету «Київський політехнічний інститут» започаткована підготовка відповідних фахівців за навчальним курсом "Матеріали відновної енергетики", початок чому було покладено навесні 2012 року двотижневим курсом лекцій «Керамічні паливні комірки» міжнародного Інституту передових студій, до якого за підтримки НАТО були залучені провідні професори і фахівці світу.

На рис. 15 показано злам керамічної паливної комірки, загальний вигляд якої показано на рис. 16, виготовленої із застосуванням стрічкового литва аноду та електронно-променевого осадження плівки електроліту і магнетронного осадження катоду. Виявлена за допомогою зламу структура комірки виявляє як високу щільність з'єднань між електролітом та електродами, так і самого електроліту, що забезпечує низький внутрішній опір усієї комірки та її високі перетворювальні властивості, про які свідчать дані випробувань (рис. 17).

Оцінюючи ці дані, слід мати на увазі, що вони отримані не на чистому водні, а на розбавленому аргоном. У випробуваннях використовували модельний паливний газ – суміш  5-об.% H2 + 95-об.% Ar. Ця суміш використовується з огляду на техніку безпеки роботи з воднем у не пристосованому для роботи з воднем лабораторному приміщенні. Тобто, для отримання уявлення щодо потужності джерела струму при заправці його повноцінним, не розбавленим водневим паливом, показані дані щільності струму треба помножити приблизно на 20.

 image025.png

Рисунок 15 – Вигляд зламу керамічної паливної комірки з 10Sc1CeSZ плівковим електролітом, осадженим на поруватий анод за допомогою електронного променя в скануючому електронному мікроскопі.

Рис. 16 дає уявлення щодо будови цирконієво-керамічного перетворювача. На анод (зеленого кольору), який є носієм усієї комірки, методом електронно-променевого напилення нанесено тонку (~10 мкм) плівку електроліту (білого кольору), на який нанесено катод (верхня плівка чорного кольору) методом трафаретного друку.

 image026.png

Рисунок 16 – Вигляд паливної комірки з боку її катоду.

 

image027.jpg  

Рисунок 17 – Залежність напруги на зразку та густини потужності від густини струму при потоці повітря 0,25 л/хв та модельного палива Ar – 5-об. % H2 0,25 і 1,5 л/хв при 800 oC.

 

Випробування паливних комірок і батарей здійснюються на випробувальному стенді (рис. 18). Цей унікальний для України пристрій дає можливість випробувати перетворювачі в залежності від температури процесу, параметрів потоків палива та кисню (повітря), зволоження, навантаження тощо.

  

 image028.png

Рисунок 18 – Загальний вигляд стенду Medusa, Scribner, США, для випробування паливних комірок та їхніх батарей.

 

Для демонстрацій було сконструйовано і виготовлено портативний КПК-генератор електрики з батареєю з 5-ти комірок для роботи з природним газом від переносного балончика потужністю 10 Вт туристичного призначення, зовнішній вигляд і нутрощі після випробувань якого зображено на рис. 19. Робоча температура батареї паливних комірок становить ~600 оС.

а image029.jpg

б image030.jpg

 

Рисунок 19 – Зовнішній вигляд переносного паливно-комірчаного джерела електричного струму потужністю 10 Вт з напруженням ~3,5 В (а) та його батарея з 5 комірок після випробувань (б).

Наведені дані разом з набутим досвідом впевнюють, що в Україні є усі підстави для організації успішного виробництва керамічних паливних комірок та енергетичних систем на їхній основі.

 

Цитовані посилання:

1.       Dave Daggett. Commercial Airplanes: Fuel Cell APU. Overview. Презентація 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.       О.К. Давтян, Проблема безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну, вид. АН СРСР, М-Л, 1947, - 145 с.

4.       http://delphi.com/

5.       Delphi Solid Oxide Fuel Cell Stack з http://delphi.com/

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. Презентація 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 reports at http://www.gereports.com/post/92454271755/the-new-power-generation-this-fuel-cell-startup-could

11.   Є.М. Бродніковський, М.М. Бричевський, О.Д. Васильєв та ін. Керамічна паливна комірка на металокерамічній основі. Фундаментальні проблеми водневої енергетики / за ред. В.Д. Походенка, В.В. Скорохода, Ю.М. Солоніна. – К: КІМ, – 2010. – С. 425-447.

12.   O. Vasylyev, M. Brychevskyi, A. Smirnova et al. Structural, mechanical, and electrochemical properties of Ceria doped Scandia stabilized Zirconia. / - Material Science of Nanostructures, 1 70-80 (2011).


Васильєв О.Д., д.ф.-м.н., проф., 

ініціатор паливно-комірчаного руху в Україні

Інституту проблем матеріалознавства

ім І.М. Францевича НАН України

вул. Кржижанівського, 3

Київ-142, 03142

тел:    +380 44 424 0294 

факс:  + 380 44 424 2131 

e-mail: vasilev@ipms.kiev.ua

Якщо Ви помітили орфографічну помилку, виділіть її мишкою і натисніть Ctrl + Enter

Новини по темі:

comments powered by Disqus
Система Orphus
Щотижнева
e-mail розсилка