Сравнение аккумуляторных систем и установок на основе топливных элементов

Цель нашей компании - разработка, производство и внедрение эффективных и экологичных систем электропитания.


Сравнение аккумуляторных систем и установок на основе топливных элементов
Задать вопрос

КРАТКИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ СИСТЕМ И УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ниже приведены краткое описание и сравнительные характеристики различных типов химических аккумуляторов, а также представлен сжатый обзор и ориентировочные расчеты удельных энергоемкостей для систем на основе топливных элементов. Из приведенных оценок видно, что наряду с другими преимуществами системы на основе топливных элементов обладают многократно превосходящей удельной энергоемкостью по сравнению с любыми химическими аккумуляторами.

I. Химические аккумуляторы электрической энергии

Общим плюсом аккумуляторных систем является возможность мгновенного включения, поэтому их повсеместно используют в системах резервного и аварийного питания. В то же время существуют и общие недостатки, присущи в той или иной мере всем типам батарей:
- Потеря ёмкости со временем (до 20% в год);
- Саморазряд;
- Сильная зависимость эффективной ёмкости от температуры;
- Наращивание ёмкости и мощности не разделены, что делает их самым дорогим решением по стоимости дополнительного приращения энергоёмкости.
Ниже кратко описаны отдельные типы.

1. Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА)
Это наиболее изученный и освоенный тип накопителей. Является одним из самых дешевых типов аккумуляторов в расчете на единицу емкости: 100-500 $/кВт*ч, в среднем ~270$/кВт*ч. Используется очень широко: от систем резервирования энергии крупных ЦОД до автомобилей (стартерная батарея, бортовое электропитание).

В СКА электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин — двуокись свинца РbО2, отрицательных пластин — свинец Рb. В настоящее время существует несколько разновидностей СКА. Они различаются химическими добавками к материалу положительных и отрицательных пластин, состоянием электролита и областями применения. Самыми первыми по времени создания являются заливные аккумуляторы со свободным электролитом, в которых положительный и отрицательный электроды погружены в водный раствор серной кислоты. Такие аккумуляторы требуют обслуживания, заключающегося в периодической проверке уровня кислоты и ее концентрации. Кислота теряется при испарении электролита и при электролизе во время заряда. Такие аккумуляторы могут эксплуатироваться только в вертикальном положении. Для большинства СКА допустимая глубина разряда для сохранения срока службы ограничивается 30% от номинальной энергоемкости.

К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов в целом следует отнести относительно низкую удельную энергоёмкость (до 45 Вт*ч/кг), относительно низкий ресурс (500-800 циклов при глубине разряда 40-50% для большинства производителей или до 5 лет при поддержании температуры +25°C), сильную чувствительность к температуре окружающей среды, наличие эффекта памяти, высокий саморазряд (до 25% в месяц), что требует постоянный контроль и подзаряд, не допустим глубокий разряд (ниже 30%).

В последнее время конструкция и технология производства СКА претерпели ряд изменений, прежде всего направленных на повышение ресурса и удобства обслуживания: аккумуляторы с электролитом в полимерной матрице (AGM – Absorbed glass mate) и гелевым электролитом (Gel). Такие аккумуляторы являются герметизированными и уже могут эксплуатироваться в любом положении и не требуют обслуживания. Они также снабжены рекомбинаторами водорода, превращающими выделившийся в процессе электролиза газ в воду и, таким образом, компенсирующим потери электролита при зарядке. Тем не менее, длительная или быстрая зарядка способна привести к взрыву батареи из-за перегрева и повышенного газовыделения. Средний срок службы СКА, используемых на базовых станциях сотовой связи – от 3 до 5 лет.

Гелевые аккумуляторы оптимизированы для постоянных глубоких зарядов и разрядов, поэтому они наиболее часто применяются в системах с ВИЭ. СКА в настоящее время остаются наиболее распространенным решением по буферному аккумулированию электроэнергии, когда речь идет о малых энергетических установках (до десятков кВт), в том числе с использованием ВИЭ (индивидуальные жилые дома, станции сотовой связи), а также бытовых применениях (например, резервное питание для персональных компьютеров).

2. Никель-кадмиевые аккумуляторы
В никель-кадмиевом аккумуляторе анодным электродом является гидрат дигидроксида никеля Ni(OH)2, смешанный для повышения проводимости с графитом (5- 8 масс.%), катодным электродом — гидрат закиси кадмия Cd(OH)2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). Электролит — водный раствор калиевой щелочи KOH. Напряжение холостого хода никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергоемкость около 50 Вт·ч/кг.

В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 9000 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20-25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) – единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными. Для данного типа аккумуляторов также характерна устойчивая работа при пониженных (-20°С) температурах и малый нагрев при заряде и разряде высокими токами за счет применения щелочного электролита. Основным недостатком данного типа аккумуляторов является «эффект памяти» - если зарядке подвергается не полностью разряженный аккумулятор, его рабочее напряжение снижается из-за формирования дополнительного двойного электрического слоя на электродах, как бы «запирающего» остаточную емкость. Многократное повторение этого явления приводит к выходу аккумулятора из строя, поэтому аккумуляторы данного типа целесообразно применять в системах, для которых характерен глубокий разряд. Во избежание разбаланса аккумуляторов при хранении необходима система контроля и выравнивания напряжений, в противном случае аккумуляторы внутри батареи будут обмениваться между собой малыми зарядными токами, что приведет к их деградации за счет эффекта памяти. Контроллер заряда для таких аккумуляторов должен периодически осуществлять циклы полного заряда-разряда для сохранения характеристик.

Другим существенным недостатком является применение в элементах токсичного кадмия, который требует специальных технологий утилизации аккумуляторов и отходов их производства. Данный тип аккумуляторов нашел широкое применение в бортовых источниках питания различных транспортных средств, от электромобилей и радиоуправляемых моделей до авиации, главным образом за счет повышенных относительно СКА удельных характеристик, устойчивости к низким температурам и высоким допустимым токам заряда и разряда.

3. Никель-металлогидридные аккумуляторы
Протекаемые химические реакции похожи на реакции в никель-кадмиевых аккумуляторах. В NiMH аккумуляторах анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролит — гидроксид калия, катод — оксид никеля.

Плюсы:
- Доступны высокие токи заряда и разряда (типично 1*емкость);
- Высокая теоретическая энергоемкость - 300 Вт·ч/кг, хотя на практике достижима пока 60-70 Вт*ч/кг.
Минусы:
- Высокая стоимость (400-2000 $/кВт*ч, в среднем 1000 $/кВт*ч);
- Невысокие ресурсные характеристики (до 1000 циклов);
- Высокий саморазряд (до 15% в мес.).

Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. NiMH аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую ёмкость при тех же габаритах, но несколько меньшее количество рабочих циклов. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

4. Натрий-серные аккумуляторы
В разряженном состоянии натрий образует с серой химическое соединение (полисульфид натрия), в заряженном – сера и натрий представлены в виде чистых веществ, разделенных керамической мембраной. Электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290-360ºС). В японских системах, разработанных и серийно выпускаемых компанией NGK Insulators LTD, температура аккумулятора в режиме хранения поддерживается за счет токов саморазряда. Так как падение температуры приводит к замерзанию реагентов и резкому снижению ионной проводимости электролита, в конструкции предприняты дополнительные меры по теплоизоляции батареи. Помимо теплоизоляции внешнего корпуса применяются такие меры, как покрытие внутренних стенок этого объема фольгой (экранно-вакуумная теплоизоляция). Теоретическая энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт*ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры – 100-125 Вт*ч/кг. Достигнутые на практике ресурсные характеристики демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90%. Данный тип аккумуляторов является дешевой (около 500 $/кВт*ч) альтернативой литий-ионных аккумуляторов в стационарных приложениях.

Большие перспективы сернонатриевых аккумуляторов обусловлены целым рядом их достоинств, к которым относятся высокая удельная энергия и мощность, хорошая обратимость и большой ресурс, являющиеся следствием использования жидких электродов, отсутствие побочных реакций, герметичность и большой срок сохраняемости, дешевизна и доступность основных реагентов – натрия и серы. Этому уникальному сочетанию достоинств сернонатриевого аккумулятора противостоит один существенный недостаток – его относительно высокая рабочая температура (300ºС) и связанные с ней затраты энергии на ее поддержание.

5. Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы в последнее время развиваются наиболее интенсивно, находя все большее применение в электротранспорте, портативных источниках питания, космической и авиационной технике. При заряде аккумулятора происходит интеркаляция ионов лития в анодный материал (обычно используется углеродный анод). При разряде ионы лития деинтеркалируются и переносятся на катод, а высвободившиеся электроны формируют электрический ток во внешней цепи. Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда-разряда (70-80%), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации. Обычно наблюдается обратная зависимость между удельной емкостью и рабочим ресурсом литий-ионных аккумуляторов, например, 110-190 Вт*ч/кг при более 500-1000 циклов заряд-разряд, доступны варианты до 250 Вт*ч/кг при не более 300 циклов заряда-разряда. Примеры приведены ниже.

Малоточные литий ионные аккумуляторы Материалы катода/анода: LiMnхOn/C.
Энергоемкость: 170 Вт*ч/кг.
Номинальное напряжение одного аккумулятора: 3.7 В.
Количество циклов заряда разряда: до 1000.
Номинальный/максимальный ток разряда: 0.5С/5C при t=20°C.

Среднеточные литий ионные аккумуляторы Материалы катода/анода: LiFePO4/C.
Энергоемкость: 135 Вт*ч/кг.
Номинальное напряжение одного аккумулятора: 3.2 В.
Количество циклов заряда разряда: 3000.
Номинальный/Максимальный ток разряда: 1С/5С, при t=20°C.
Применение в качестве анодного материала наноструктурированного титаната лития (Li4Ti5O12) позволяет увеличить ресурс свыше 10000 циклов, но со снижением энергоемкости до 85-90 Вт*ч/кг.

Сильноточные литий ионные аккумуляторы Материалы катода/анода: LiFePO4/Li4Ti5O12.
Энергоемкость: 85 Вт*ч/кг.
Номинальное напряжение одного аккумулятора : 2.25 В.
Количество циклов заряда разряда: 40 000.
Номинальный/максимальный ток разряда: 3С/30С, при t=20°C.

Большинство Li-аккумуляторов работоспособно в интервале температур от -30 до +60°С. Остаточная емкость при температуре -30°C у всех типов литий-ионных аккумуляторов около 30%. В то же время, заряд аккумуляторов рекомендуется проводить при положительных температурах, обычно от 0 до +50°С. Повышение температуры при эксплуатации или даже хранении существенно снижает ресурс и увеличивает скорость саморазряда. Для нормальной и безопасной работы литий-ионной аккумуляторной батареи необходима система управления и контроля, регулирующая токи заряда и разряда, контролирующая температуру на отдельных аккумуляторах, выравнивающая их напряжения в процессе заряда и разряда во избежание перезаряда и возгорания. Все Li-аккумуляторы характеризуются достаточно высокой сохраняемостью. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10 % в год. В настоящее время целый ряд компаний, ориентированных на производство литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, начинает выпуск систем для буферного аккумулирования электроэнергии. Хотя по-прежнему стоимость литий-ионных аккумуляторов довольно высока: в системах резервного питания $700-2500/кВт*ч вместе с управляющей электроникой, в среднем ~$1200/кВт*ч. В перспективе ближайших лет возможно снижение стоимости аккумуляторов до $300/кВт*ч.

6. Проточные редокс-аккумуляторы
Редокс-аккумулятор (от англ. Redox – REDuction (восстановление)+OXidation (окисление)) состоит из емкостей с электролитами (растворы солей или других химических соединений с разными степенями окисления одного или нескольких элементов), вспомогательных узлов (насосы для прокачки электролита по контурам анодов и катодов) и обратимых электрохимических ячеек с протон-обменными мембранами. Принцип работы аккумулятора заключается в том, что на одном из электродов протекает обратимая реакция окисления одного из элементов пары с передачей электрона (через внешнюю цепь) и протона (через ионообменную мембрану) на второй электрод, где происходит обратный процесс – восстановление второго элемента, находящегося в растворе. Несомненным плюсом данной системы является факт, что энергоемкость и мощность разделены и масштабируются независимо: энергоемкость определяется запасом растворов солей, а мощность – количеством и площадью электрохимических ячеек. Перезарядка системы производится за счет запуска процесса в обратную сторону (с подачей внешнего напряжения на ячейки) или перезаправкой емкостей свежими растворами.

Наибольшее распространение получила система с использованием ванадия. В ванадиевых и других редокс-накопителях используются углеродные нетканые материалы с развитой поверхностью в качестве электродов, углерод-полимерные композитные биполярные пластины и перфторированные протон-обменные мембраны типа Nafion (в случае сернокислотного электролита). Катализаторы на электродах отсутствуют, хотя в ряде исследований, направленных на повышение плотностей тока, рассматриваются наноструктурированные системы на основе рутения и палладия. КПД системы составляет 75-80%.

Достоинствами такой системы являются:
- Высокие ресурсные характеристики (до 6000 циклов при глубине разряда 100%);
- Устойчивость к высоким токам заряда-разряда;
- Допустим разряд до 100%;
- Перспективы снижения стоимости, особенно при больших ёмкостях. Из недостатков данной системы отметим, что предельная концентрация солей ванадия в серной кислоте ограничивает энергоемкость системы до 32 Вт*ч/кг, что сравнимо со свинцово-кислотными аккумуляторами. Кроме того высока стоимость существующих систем: $3000-4000/кВт.

7. Суперконденсаторы
Суперконденсатор от аккумуляторов различных типов отличается существенно меньшей энергоемкостью (коммерческие образцы 6-10 Вт*ч/кг или 5-8 Вт*ч/л, новейшие разработки на основе графена в лабораторных условиях до 83 Вт*ч/кг или 60 Вт*ч/л), повышенной удельной мощностью (2-10 кВт/кг), высоким ресурсом по сравнению с аккумуляторами (до 10⁶ циклов) и отсутствием ограничений по глубине разряда.

Двойнослойный суперконденсатор (ДСК) состоит из двух пористых электрон-проводящих электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Процесс запасания энергии в ДСК осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними. Разность потенциалов обычно определяется величиной напряжения разложения электролита. Эта величина лежит в районе 1,23 В для водных электролитов (щелочей и кислот) и в районе 2,5-4 В для органических электролитов. Процессы, происходящие в двойном электрическом слое на границе раздела двух проводников, сродни тем, которые протекают в обычном конденсаторе, однако в этом случае расстояние между несущими различный заряд обкладками составляет несколько межатомных длин, так как фактически одна обкладка представлена электронами в электронном проводнике, сгруппированным и в приповерхностном слое, а вторая – сорбированными на поверхности катода положительными ионами электролита (катионами). На аноде слой формируется за счет обеднения электронами электронного проводника и сорбции отрицательных ионов электролита. Таким образом, для достижения максимальной емкости необходимо обеспечить как можно большую поверхность контакта электролита с электронным проводником. Поэтому в качестве электронного проводника обычно используются нанопористые углеродные материалы. Жидкий электролит обычно заключен в пористый полимерный или асбестовый сепаратор, разделяющий электроды во избежание короткого замыкания. Из недостатков суперконденсаторов, помимо низкой удельной емкости, можно отметить высокую удельную стоимость ($2100-5000/кВт, и $1000-4000/кВт*ч).

II. Топливные элементы

Водород-воздушные топливные элементы рассматриваются как перспективные энергетические системы для различных применений в силу относительно высокого электрического КПД (50-75%) и отсутствия вредных выбросов. Топливные элементы можно разделить на следующие типы по диапазону рабочих температур:
 - низкотемпературные: PEMFC (рабочая температура 50-80°С, топливо – газообразный водород), DMFC (рабочая температура ~80°С, топливо – метанол);
- среднетемпературные: PAFC (рабочая температура 180-250°С, топливо – газообразный водород, синтез-газ);
- высокотемпературные: MCFC (рабочая температура 450-600°С, топливо – водород, природный газ, синтез-газ), SOFC (рабочая температура 850-1100°С, топливо - водород, синтез-газ, углеводородное топливо).

Представленные на рынке системы электропитания на основе высокотемпературных топливных элементов (например, на основе твердооксидных топливных элементов - SOFC или ТОТЭ - с рабочей температурой 800-950°С) для работы непосредственно в портативных источниках обычно не используются, так как зачастую имеют большое время запуска в рабочий режим, медленное регулирование выходной мощности (следовательно, требуют емкого буферного накопителя на аккумуляторах) и ограниченное количество циклов запуска (до нескольких сотен). Хотя есть проекты (в том числе у некоторых научных коллективов в России) по разработке микротрубчатых ТОТЭ с увеличенным ресурсом работы, которые также могут оказаться перспективными с точки зрения быстрого выхода в рабочий режим. Однако недостаток в виде горячих (до 300°С) выхлопных газов все еще остается актуальным и требует сложных технических решений для его преодоления в малогабаритных изделиях.

Системы электропитания на основе метанольных топливных ячеек обладают относительно невысокой эффективностью (КПД порядка 30%), поэтому их сфера применения ограничена портативными приложениями (аналоги аккумуляторов в ноутбуках, источники питания в беспилотных системах и др.). В России использование метанола жестко регламентировано и имеет ограничения на его применения. В России и мире активно ведутся разработки и внедрения на основе низкотемпературных водород-воздушных топливных элементов с протон-обменной мембраной (типа PEMFC). Принцип их работы заключается в процессе расщепления молекул водорода на аноде на протоны и электроны, переноса положительного заряда через протон-обменную мембрану, в то время как свободные электроны проходят через нагрузку потребителя. Затем происходит последующее восстановление ионов водорода на катоде и их окисление кислородом. Таким образом, химическая энергия молекул водорода и кислорода (из воздуха) преобразуется в электрическую энергию (с КПД до 60%), «выхлопом» является чистый водяной пар.
Использование низкотемпературных водород-воздушных топливных элементов
Система электропитания на топливных элементах включает в себя два основных компонента: низкотемпературный водород-воздушный топливный элемент (генератор) и емкость с источником водорода ("топливный бак" или баллон).
Подобные системы имеют следующие характеристики:
- быстрый старт (до 2 мин);
- диапазон температур гарантированного «холодного»запуска 0…+50°С;
- диапазон рабочих температур -20…+50°С;
- высокий КПД (до 60% по электричеству, по низшей теплотворной способности водорода),
- автомасштабирование выходной мощности в реальном времени в зависимости от подключенной нагрузки;
- надежность (малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания);
- отсутствие шумов;
- блочно-модульное построение, позволяющее масштабировать мощность и энергоемкость без значительных конструктивных изменений - для удовлетворения широкого спектра требований потребителей. 

Ниже приведено сравнение различных подходов к хранению/получению водорода. Данное сравнение проводится для эквивалентной удельной весовой энергоемкости – то есть количества энергии, которую может получить потребитель из единицы веса топлива с применением топливных элементов. Общее среднее КПД системы энергопитания на топливных элементах, в том числе с учетом потребления управляющей электроники, в расчетах принято как 50%.

1. Для хранения газообразного водорода широкое распространение получили композитные баллоны с давлением компримированного водорода 300-700 атм, использование которых позволяет достигнуть весовой доли хранения водорода порядка 5-7% (вплоть до 8%). Однако использование баллонов, арматуры и водородопроводов высокого давления связано с повышенной взрывоопасностью. Удельная энергоемкость баллонной системы хранения водорода составляет до 0,8-1,3кВт*ч/кг.

2. Жидкий водород. Водород хранится в сжиженном виде для транспортировки танкерами или в крупнотоннажных транспортных средствах, не применяется для малых объемов. Тем не менее, небольшие криогенные резервуары были разработаны для транспортных применений. Высокая стоимость емкостей для сжиженного водорода и их тяжело масштабировать до малых размеров. Потери энергии при сжижении до 35% от удельной хранимой энергии в водороде. Удельная энергоемкость малогабаритных систем (с учетом КПД топливных элементов) составляет около 0,9-1 кВт/кг (около 5 весовых % водорода).

3. Для хранения водорода в безопасном виде удобны обратимые водород-аккумулирующие интерметаллические сплавы. Например, наиболее неприхотливый сплав, применяемый в разработках ООО «Инэнерджи» для многократных циклов заправки напрямую от электролизера (без дополнительной осушки газа и очистки) - интерметаллический сплав типа АВ5 (например, на основе LaNi5), поглощает и выделяет водород в диапазоне температур окружающей среды. Сплав имеет весовое содержание водорода 1,38%, что в пересчете соответствует 0,244 кВт*ч эквивалентной энергоемкости на 1 кг сплава. Возможные источники водорода: электролизер (электролиз дистиллированной воды); риформер углеводородного топлива (природного газа, СПГ, пропан, бутан и др.) Использование перезаправляемых водородных баллонов перспективно при применении стационарного или мобильного электролизера или риформера. Получаемый на выходе водород удобно использовать для хранения в металлогидридных сплавах, обратимо его выделяющих при безопасных давлениях.

4. Следующим перспективным решением могут выступать необратимые химические источники водорода. Расчеты по энергоемкости ниже приведены для справки и рассчитаны для теоретической емкости по водороду используемых химических веществ без учета необходимого избытка реакционных веществ, а также веса, состава и компоновки баллона.

а) Борогидриды, выделяемые водород при гидролизе или термолизе. Как видно из рисунка выше, борогидрид лития LiBH4 имеет высокую массовую долю водорода, но продукты гидролиза чрезвычайно токсичны и вызывают поражения нервной системы. Лучше использовать борогидрид натрия (NaBH4) или магния, как более безопасные. NaBH4 серийно выпускается российской промышленностью. Одним из недостатков необратимых гидридов является то, что скоростью их реакции с водой плохо контролируется внешними средствами. Расчеты показывают, что для реакции NaBH4 необходимо почти двукратное по весу гидрида количество воды (на 1 кг гидрида 1,9 кг воды). Количество выделившегося при этом водорода позволит получить 1,23 кВт*ч на 1 кг смеси борогидрида натрия и воды.

б) Одним из наиболее безопасных с точки зрения и продуктов реакции, и исходного вещества, является гидрид кальция. Гидрид кальция относительно дешев, доступен, достаточно широко применяется в порошковой металлургии в качестве восстановителя. Он менее реакционноспособен, чем гидриды магния, алюминия, борогидриды, тем самым более удобен и безопасен при хранении и транспортировке. С середины прошлого века накоплен большой опыт практического использования процесса получения водорода из гидрида кальция в нестационарных (полевых) условиях (например, для наполнения аэростатов). Реакция с водой позволяет за короткое время получить большое количество водорода (до 1000л на 1кг гидрида кальция + 0,86 кг воды). Продукты реакции нетоксичны и экологически безопасны (гидроокись кальция, которая после естественной карбонизации на воздухе превращается в карбонат кальция). Количество выделившегося при реакции водорода позволит получить 0,88 кВт*ч на 1 кг смеси гидрида кальция и воды. 

в) Существует целая линейка кристаллогидратов, которые также активно изучались коллективом сотрудников ИПХФ РАН и ООО «Инэнерджи». Примером могут служить Mg(BH4)2*(2/4/6)H2O с температурой плавления выше 40ºС. Вода уже находится в веществе в связанном состоянии, реакция выделения водорода начинается при повышении температуры вещества до температуры плавления. Реакция контролируема изменением температуры. Более перспективный вариант, в отличие от использования самих борогидридов.

г) В качестве химического источника водорода также можем предложить использовать аминоборан (NH3BH3). Водород выделяется термолизом при 120-150ºС, массовая доля содержания водорода 19-20%. Количество выделившегося при термолизе водорода позволит получить на выходе энергогенератора до 2,2 кВт*ч на 1 кг аминоборана. Однако срок службы топливных элементов будет снижен из-за наличия примесей в выделяемом из аминоборана водороде. Подобный источник водорода пригоден для изделий с незначительной общей наработкой (до 1000 часов).

Другие типы топливных элементов

1. Альтернативным вариантом портативного источника энергоснабжения могут являться устройства на основе прямых метанольных топливных элементов (DMFC), топливом является 40-65% раствор метанола в воде, в настоящее время активно развиваются варианты с более высоким содержанием метанола (вплоть до чистого метанола). Реакции в топливных элементах происходят при низких температурах (60-80°С). Системы электропитания на основе метанольных топливных ячеек обладают относительно невысокой эффективностью (КПД порядка 30-35%). Однако в России использование метанола жестко регламентировано и имеет ряд ограничений за исключением тех производственных процессов, где он не может быть заменен другими менее токсическими веществами, в соответствии с СП 2.3.3.2892-11 «Санитарно-гигиенические требования к организации и проведению работ с метанолом». Использование метанола в качестве топлива позволит получить от 0,9 кВт*ч/кг до 1,2 кВт*ч/кг для 60-62% раствора метанола в деионизованной воде.

2. Следующим направлением развития проекта может быть использование технологии микротрубчатых ТОТЭ в качестве источника энергии, с возможностью использования углеводородного топлива без необходимости внешнего преобразования. Как отмечено выше, у микротрубчатых ТОТЭ может быть увеличен ресурс по сравнению с планарными мембранно-электродными блоками ТОТЭ, а также эта технология потенциально способна обеспечить быстрый выход источника энергии в рабочий режим (до 10 мин). Однако недостаток в виде горячих (до 300 0С) выхлопных газов все еще остается актуальным и требует дополнительных технических решений для его преодоления в малогабаритных изделиях.

Удельная энергоемкость углеводородного топлива относительно высока благодаря более высокой плотности исходного вещества, по сравнению, например, с газообразным водородом. Метан (или природный газ) в жидком виде не хранится (температура сжижения «минус» 164°С), удельная энергоемкость метана 9,2 кВт*ч/кг; эквивалентная энергоемкость средств хранения газа, с учетом веса композитных баллонов и, принимая во внимание электрический КПД топливных элементов (считаем 50%), позволит получить удельную энергоемкость до 1 кВт*ч/кг.

Энергоемкость сжиженного пропана или пропан-бутана (около 16 атм при нормальной температуре) без учета веса баллона составляет до 12,8 кВт*ч/кг, или с учетом веса баллона и, принимая во внимание электрический КПД топливных элементов (50%), позволит получить 2,2-2,8 кВт*ч/кг, что является одним из наиболее перспективных вариантов для использования в ТОТЭ.

Данный материал составлен ООО «ИнЭнерджи» преимущественно для собственного пользования.
Любое воспроизведение, копирование, а так же коммерческое и некоммерческое использование материалов допускается только с явным указанием источника как ООО «ИнЭнерджи»