Авиационная силовая установка на водородовоздушных твердополимерных топливных элементах

Альтернативное топливо в авиации

к\\\\\\\\\\\\\ч

Авиационная силовая установка на водородовоздушных твердополимерных топливных элементах

I

И.Е. Баранов, начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский Институт», к.ф.-м.н., В.Н. Фатеев, заместитель директора НИЦ «Курчатовский Институт», д.х.н., В.И. Порембский, начальник отдела НИЦ «Курчатовский Институт», А.А. Калинников, начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский Институт»

Представлен первый отечественный беспилотный летательный аппарат с основной силовой установкой на топливных элементах. Рассмотрены особенности работы специализированных топливных элементов, связанные с водяным балансом. Рассмотрены перспективы использования в авиации топливных элементов на водороде, особенности хранения водорода на борту летательного аппарата.

__Ключевые слова:

авиация, топливный элемент, водород.

последние годы наблюдается бурное развитие мобильных систем на базе электрохимических источников энергии. Автомобили и другие виды транспорта постепенно начинают переходить с двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на электрическую тягу. Существенным моментом является начало развития авиации на водородных топливных элементах (ТЭ).

Общее количество энергии, запасенной в таком источнике, определяется, в отличие от химического аккумулятора, не массой гальванических ячеек, а запасом водорода в водородном химическом картридже или баллоне и, соответственно, массой такого картриджа. Оценки показывают, что при энергосодержании выше 10 кДж масса системы на ТЭ ниже массы аккумулятора с аналогичным энергосодержанием в 2-3 раза.

Силовая энергоустановка (электродвигатель - ТЭ - бак с водородом) по сравнению с традиционным приводом на тепловой машине (ДВС - бак с жидким углеводородом) имеет следующие существенные принципиальные преимущества:

1. Отсутствие ограничения Карно по максимальному КПД. У ТЭ при рабочей температуре менее 100 °С легко достигается КПД преобразования энергии топлива 70.. .80 %.

2. Химическое преобразование энергии сгорания водорода обусловливает отсутствие механических узлов движущихся частей и деталей в генераторе электроэнергии. Процесс регулируется только электрической нагрузкой, отсюда простота конструкции, надежность, меньшая шумность и легкость технического обслуживания.

3. Водород как топливо имеет в 3 раза большую удельную энергию: 120 МДж/кг по сравнению с 40 МДж/кг у жидких углеводородных топлив. В авиации, где на массу топлива приходится значительная часть от массы летательного аппарата, использование водорода способно в 2-3 раза поднять дальность полета или массу полезной нагрузки. Отметим, что водород может храниться на борту в виде химических соединений-генераторов водорода, в сжатом или сжиженном виде. Технология использования жидкого водорода в качестве топлива уже давно отработана в нашей стране на экспериментальном самолете ОКБ Туполева Ту-155 [1].

4. Высокая экологическая чистота. Единственным продуктом окисления водорода в низкотемпературных топливных элементах является вода.

Перспективы применения энергоустановок на ТЭ в авиации

Источники электрической энергии на топливных элементах имеют свои специфические особенности, наличие которых приводит к необходимости оптимизации путей внедрения этих установок в авиацию. К таким особенностям следует отнести простоту и надежность ТЭ, возможность использования водорода в качестве топлива, получение электроэнергии. Вследствие этих особенностей можно предложить следующие области внедрения энергоустановок на ТЭ в авиацию:

1. Замена традиционной газотурбинной вспомогательной силовой установки (ВСУ). Традиционные ВСУ (например, ВГТД ТА12-60 объединения «Аэросила» или APS5000 фирмы Hamilton Sundstrand [2]) предназначены как для подачи воздуха на запуск двигателей и снабжения воздухом салона, так и для использования их в качестве источника бортового электропитания.

Такая ВСУ имеет общую мощность 360 кВт, из них на генерацию электроэнергии приходится 60 кВт.

2. Резервные источники мощности для гарантированного питания критических агрегатов самолета. Важнейшим параметром бортового электроснабжения является его надежность. Для этого основные электрические линии дублируются. Тем не менее, это не всегда предотвращает случаи обесточива-ния. Одним из принципиальных путей увеличения надежности могут быть, например, небольшие ТЭ, встроенные в блоки самолетной аппаратуры. Питание ТЭ будет осуществляться за счет небольшого расхода водорода по титановым или пластиковым капиллярам. Такое решение может обеспечить отсутствие гальванической связи в линии энергоснабжения, что увеличит надежность. Этот способ может быть одним из видов дублирования энергоснабжения самолетной аппаратуры по принципиально разным каналам.

3. Водородный самолет на электрической тяге. В настоящий момент в разных странах прорабатывается технология внедрения электрической тяги на авиационных транспортных средствах. Например, объединение «Аэросила» [3] рассматривает возможность создания самолета на электрической тяге с использованием традиционных газотурбинных генераторов энергии.

Основным направлением внедрения основных силовых установок на ТЭ являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) [4-7]. Так, в проекте NASA Helios [7] даже использовался обратимый топливный элемент, который от фотобатарей, установленных на крыльях самолета, в режиме электролиза обеспечивал самолет водородом.

Прогресс в разработке ТЭ и высокая удельная (на единицу массы) энергоемкость водорода, как топлива ТЭ, делает возможным реализовать принципиально новые проекты, например,

38

электрическую основную силовую установку самолета малой и средней авиации с использованием водорода как основного топлива на борту.

Топливные элементы имеют КПД использования энергии топлива существенно (до 2 раз) выше, чем КПД традиционной газотурбинной силовой установки. С другой стороны, использование водорода, который обладает энтальпией сгорания 120 МДж/кг против 43 МДж/кг у керосина, делает возможным поднять еще в 3 раза дальность полета.

В последнее время технология хранения жидкого водорода доведена практически до совершенства. Проекты использования сжиженного водородного топлива разрабатываются давно, и один из них был доведен еще в СССР до полетных испытаний на экспериментальном Ту-155.

В объединении «Гелиймаш» [8] достигнуты успехи по разработке криогенных баков для жидкого водорода, которые отличает низкая стоимость, высокая эффективность, безопасность и простота. Разработаны относительно простые и дешевые ожижители, которые позволят легко создать аэродромную сеть заправок жидким водородом. При непосредственной же заправке жидким водородом в течение нескольких часов перед вылетом будет достаточна более легкая теплоизоляция баков слоем пенопласта. Такая теплоизоляция незначительно увеличит массу бака по сравнению с аналогичным для керосина. Кроме того, особенности использования авиатранспорта на регулярных рейсах позволяют сделать экономически эффективной сеть заправок жидким водородом, состоящую из небольшого числа заправочных пунктов.

Все это свидетельствует о том, что весьма перспективной является основная силовая установка самолета, объединяющая технологии силовых авиационных установок на ТЭ и криогенное хранение

жидкого водорода на борту. Такая установка может теоретически иметь шестикратное (в три раза за счет большей энергоемкости водорода в сравнении с керосином и в два за счет большего КПД ТЭ) превосходство над традиционными силовыми установками с газотурбинными двигателями (ГТД), работающими на керосине.

Рассмотрим, может ли энергосистема на твердополимерных ТЭ конкурировать с традиционными газотурбинными двигателями в качестве привода основной силовой установки. Для примера сравним газотурбинный двигатель АИ-24 авиационной силовой установки относительно небольшого самолета АН-24. Данный двигатель имеет взлетную мощность 1876 кВт и массу 600 кг. Во взлетном режиме расход топлива составляет 0,359 кг/кВт-ч, в крейсерском - 0,325 кг/кВт-ч. То есть в крейсерском режиме двигатель имеет КПД 0,47 по отношению к теплоте сгорания топлива (авиационный керосин), которая равна 43,54 МДж/кг. Масса топлива в АН-24 составляет 4000 кг [9].

Проведем сравнение газотурбинного двигателя с энергоустановкой на ТЭ по двум параметрам: мощности установки и запасам энергии (топливо).

По приведенным данным видно, что у газотурбинного двигателя удельная мощность составляет 3 кВт/кг, тогда как у энергоустановки на ТЭ этот показатель равен 0,7 кВт/кг без баков с водородом или конвертора, что в 4 раз ниже.

Низкая удельная мощность энергоустановки на ТЭ может быть компенсирована двумя путями.

1. Снижение мощности двигателя. Мощность при сохраненной массе самолета может быть снижена, по крайней мере, в 2 раза. Это приведет к снижению скорости полета, и для компенсации потери подъемной силы потребуется увеличить площадь несущей поверхности крыльев, вследствие чего уменьшится либо дальность полета, составляющая

у АН-24 1000 км, либо число пассажиров, равное 48 чел.

2. Переход на сжиженный водород или новые капиллярные системы хранения этого топлива [10], имеющие более высокие характеристики по массовому содержанию водорода. Масса топлива составляет значительную долю массы самолета и существенно больше массы газотурбинных двигателей (4000 кг против 1200 кг массы двигателей). Использование водорода может в 3 раза снизить массу топлива при сохранении запасенной в нем энергии. То есть выигрыш составит 3000 кг, что может компенсировать возросшую массу двигателей при переходе на электрическую тягу. Кроме того, у энергоустановки на ТЭ КПД использования топлива выше в 1,3-1,5 раза. У ГТД АИ-24 КПД двигателя по отношению к теплоте сгорания топлива составляет 0,47, у энергоустановки на ТЭ - 0,6...0,7.

Но для реализации легких энергоустановок на ТЭ необходимо иметь сверхлегкие топливные элементы воздушного, а не водяного охлаждения, что требует дополнительный запас воды на борту. При этом оптимальным вариантом является использование воздуха одновременно как теплоносителя и реагента.

Охлаждение при КПД 60.70 % переводит 30.40 % энергии топлива в теплоту. Для выноса этой теплоты из твердополимерного ТЭ, работающего при температуре 40.80 °С, необходимо прокачивать через него значительное количество воздуха, что в свою очередь приводит к потере влаги в ТЭ и увеличению сопротивления твердополимерной (ионообменная) мембраны и мембран-но-электродного блока в целом. С точки зрения авторов, конструктивно наиболее простой и удобный способ предотвращения потерь воды для авиационных агрегатов - подбор режимов работы и разработка конструкции такого ТЭ, в котором его мембрана увлажняется водой,

являющейся продуктом окисления водорода.

Ниже представлены результаты исследований водного баланса в мембранно-электродных блоках воздухоохлаждаемого ТЭ с большим расходом воздуха, особенности разработки конструкции ТЭ для авиационных приложений, результаты испытаний разработанного ТЭ в составе энергоустановки, а также даны оценки путей внедрения в авиацию энергетических систем на водородных ТЭ.

Разработка авиационного ТЭ и пути выбора оптимальных режимов работы

В данном разделе приведен анализ водно-газового режима воздухоохлаж-даемого самоувлажняющегося ТЭ на основе результатов испытания батарей ТЭ (рис. 1) мощностью 250 Вт, которые были использованы в составе энергоустановки БПЛА. Масса данной батареи 1,5 кг, габариты 98x200x200 мм, она содержит 56 МЭБ и работает при напряжении 36 В.

Для расчета водного баланса в мембране и ячейке в целом была использована ранее разработанная математическая модель, описывающая процессы внутри МЭБ [11, 12].

Рис. 1. Твердополимерная батарея ТЭ воздушного охлаждения мощностью 250 Вт

40

Определяющим фактором для эффективности топливного элемента является увлажненность МЭБ, включающего мембрану и каталитические слои. МЭБ зажат между двумя коллекторами тока, представляющими собой слои из углеродного нетканого волокнистого материала типа войлок (рис. 2). С коллекторами тока контактируют биполярные пластины, в каналах которых и протекают воздух (катодные каналы) и водород (анодные каналы на противоположной стороне от мембраны). Влажность МЭБ определяется диффузионным сопротивлением коллекторов тока, влажностью воздуха в катодных каналах и скоростью образования воды в катодном каталитическом слое за счет электрохимической реакции окисления водорода.

Суммарный процесс в ячейке ТЭ описывается уравнениями:

Анод - 2Н2^4Н++4е-;

Катод - 02+4е+4Н+^2Н20.

Стандартный равновесный потенциал суммарного процесса составляет 1,23 В, выходное напряжение топливной ячейки под нагрузкой обычно 0,5.. .0,8 В.

Воздухоохлаждаемые самоувлажняющиеся ТЭ имеют ряд особенностей, которые определяют характер водно-газового режима. Так, величина расхода воздуха определяется необходимостью эффективно поддерживать высокую концентрацию окислителя и отводить всю теплоту, выделившуюся в результате

электрохимической реакции. Последнее требование является доминирующим. Даже при максимально допустимых температурах ТЭ (80.90 °С) величина необходимого расхода воздуха в 10-15 раз превышает минимально необходимый расход для поддержания электрохимической реакции окисления водорода при заданном уровне мощности, то есть так называемый стехиометрический избыток по кислороду реакции окисления водорода более 10.

Так как предполагается отсутствие в составе энергоустановки каких-либо устройств для циркуляции водорода, то стехиометрическое отношение потока водорода к водороду, используемому в ТЭ, близко к единице, что необходимо для экономии ограниченных запасов водорода на борту.

Значительный расход входящего в ТЭ воздуха приводит к тому, что генерируемой в результате химической реакции воды не хватает для необходимого увлажнения этого воздуха. Это может привести к пересыханию мембраны и каталитических слоев, особенно при повышенных температурах. С другой стороны, повышение температуры ТЭ вызывает при прочих равных условиях рост эффективности его работы. Поэтому речь может идти о наиболее оптимальном по температуре режиме работы ТЭ. При этом оптимальная температура должна существенно зависеть от нагрузки.

Рис. 2. Схема батареи топливных элементов

Поскольку стехиометрическое отношение потока водорода почти равно единице, то для стационарной работы топливного элемента выполняется условие отсутствия потока воды через мембрану. Это условие обеспечивает постоянную влажность среды в анодных каналах. Следовательно, отвод воды от катодного каталитического слоя осуществляется только диффузией через катодный коллектор тока в проточный канал.

Отсутствие потока воды через мембрану между анодным и катодным пространством обеспечивается двумя противоположно направленными процессами:

• электроосмотическим переносом воды протонами, образующими электрический ток через мембрану;

• диффузионным потоком воды через мембрану.

Поскольку электроосмотический перенос (с ионами водорода) всегда однозначно направлен от анода к катоду, то диффузионный поток направлен противоположно - от катода к аноду. Это обеспечивается тем, что увлажненность катодного каталитического слоя превышает увлажненность анодного каталитического слоя и является максимальной в МЭБ. Для того, чтобы увлажненность анодного каталитического слоя была достаточна для достижения высокой удельной производительности ТЭ в режиме самоувлажнения, толщина мембраны должна быть минимальна.

Следует полагать, что парциальное давление водяных паров в катодном каталитическом слое пропорционально плотности тока (скорость генерации воды). Отсюда следует принципиальная возможность реализации режима самоувлажнения для топливных элементов рассматриваемого типа за счет максимального увеличения плотности тока. Выполняется эта задача путем применения высокоактивных электрокатализаторов, допускающих эффективный процесс электрохимического окисления водорода

при низких концентрациях кислорода.

При небольших температурах или больших токах возможен процесс конденсации воды, особенно в локальных изолированных областях катодных каналов.

На рис. 3 представлена зависимость влажности катодного каталитического слоя от температуры и плотности тока. Красным цветом показаны области режима работы ТЭ, при которых наблюдаются процессы осушения мембраны и катодного каталитического слоя, синим - процессы обводнения катодного каталитического слоя. Зеленая зона соответствует нормальным рабочим режимам ТЭ.

Рис. 3. Зависимость влажности катодного каталитического слоя от температуры и плотности тока

Существенно, что рабочая область довольно узка, что накладывает особые требования к точности работы системы управления.

42

На рис. 4 показаны две вольтам-перные характеристики (ВАХ), полученные при большей температуре (£=40 °С, кривая с квадратными точками) и меньшей температуре (£=30 °С, кривая с круглыми точками). Красные фрагменты соответствуют режиму работы топливной батареи при недостатке воды, зеленые - нормальному режиму, синие - режиму с обводнением каталитических слоев в соответствии с рис. 3. Кривые получены потенциостатиче-ским методом. Сканирование по напряжению начинается с равновесного напряжения при отсутствии тока.

Рис. 4. Зависимость напряжения и влажности анодного и катодного каталитических слоев от температуры и плотности тока

Приведенные данные показывают, что при более высокой температуре область пересушивания МЭБ больше, что сказывается на ВАХ при малых токах. При максимальных токах переход в область обводнения катодного каталитического слоя происходит раньше при меньшей температуре.

Проблемы с осушением мембраны и каталитических слоев могут быть

частично решены при использовании импульсного режима работы топливного элемента (короткие, с большой скважностью импульсы максимального тока). Импульсы большого тока могут быстро создавать на некоторое время избыток влаги, который затем относительно медленно расходуется в основном режиме. Такой способ позволит расширить рабочую область режимов в сторону осушения.

На рис. 5 приведен фрагмент результатов испытаний батареи, иллюстрирующий применение импульсного режима работы ТЭ. Результаты показаны в виде зависимости тока на батарее от времени при постоянном напряжении на выходе. Импульсный режим работы в данном случае достигался кратковременным подключением к выходу батареи дополнительной электронной нагрузки с определенной периодичностью. До момента включения импульсного режима наблюдалось постепенное уменьшение величины тока, связанное с осушением мембраны и каталитических слоев. После включения импульсного режима ток восстановился до прежней величины и стабилизировался.

Заметим, что связанный с импульсным режимом перерасход водорода составлял около 2.3 %, что полностью компенсировалось увеличением тока и КПД базового режима. Наряду с этим, использование в качестве катализаторов смеси платинированной сажи и гра-фена позволило повысить содержание ионообменного материала в каталитическом слое и стабильность работы ТЭ, а также несколько увеличить его ресурс.

Батарея ТЭ была испытана в составе силовой установки БПЛА [13] (рис. 6). Кроме батареи ТЭ, в состав данной силовой установки вошел угле-пластиковый водородный баллон, редуктор, электродвигатель с пропеллером и система управления. БПЛА продемонстрировал устойчивый полет в течение

Рис. 5. Фрагмент результатов испытаний батареи с применением импульсной нагрузки

40 мин. Продолжительность данного испытательного полета определялась программой испытаний. В общем случае продолжительность полета зависит от вместимости баллона с водородом и может быть увеличена до нескольких часов полета.

Анализ перспектив применения водородного топлива и водородных топливных элементов в авиации показывает, что такие системы уже сейчас можно рассматривать как очень перспективные для беспилотной авиации малой мощности. В дальнейшем вспомогательные силовые установки на основе водородных ТЭ могут позволить решить ряд существенных экологических проблем для традиционной авиации (в частности, достичь снижения выбросов вредных веществ при наземном маневрировании).

Проведенные модельные оценки и полученные экспериментальные данные по работе твердополимерных ТЭ в режимах самоувлажнения показывают возможность дальнейшего повышения удельной мощности и КПД таких систем. Для эффективной замены газотурбинных двигателей необходимо разработать

б

Рис. 6. Внешний вид беспилотного аппарата 1-401 В

а

специальные облегченные батареи ТЭ и периферийные устройства к ним для того, чтобы поднять уровень удельной мощности всей энергоустановки до 1,5 кВт/кг. Масса энергоустановки при мощности 2 МВт составит 1300 кг. Для увеличения удельной мощности, кроме снижения массы установки, нужно поднять удельную мощность МЭБ на единицу его активной поверхности.

Необходима также комплексная долговременная программа по разработке компонентов самолета как с вспомогательной, так и, возможно, с основной силовой установкой на топливных элементах. При этом следует учитывать необходимость

создания водородной инфраструктуры - водородных заправочных станций.

Для снабжения авиации жидким водородом может быть развернута автономная сеть аэродромных заправочных пунктов, где может осуществляться конверсия традиционного топлива или сетевого метана в водород (технология этого процесса достаточно хорошо отработана [7]) и ожижение или компримирования водорода.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-29-00111) в НИЦ «Курчатовский институт».

_ Литература

1. http://www.tupolev.ru/Russian/Show.asp?SectionID=82

2. https://hsapps.utc.com/powersystems/products/aps2000pds.htm

3. http://www.aerosila.ru/

4. http://www.horizonfuelcell.com/fuel_cell_stacks.htm

5. http://www.onr.navy.mil/Media-Center/Fact-Sheets/Ion-Tiger.aspx

6. Renouard-Vallet G., Saballus M., Schmithals G., Schirmer J., Kallo J. Improving the environmental impact of civil aircraft by fuel cell technology: concepts and technological progress // Energy & Environmental Science. - 2010. - 3. - P. 1458-1468

7. http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/ResearchUpdate/Helios/

8. http://www.geliymash.ru/products

9. http://www.airwar.ru/enc/craft/an24.html

10. Козлов А.И Фатеев В.Н. Водородная энергетика. Современное состояние, проблемы, перспективы. - М.: ВНИИГАЗ, 2009. - 560 с.

11. Grigoriev S.A., Kalinnikov A.A., Fateev V.N., Wragg A.A. Numerical optimization of bipolar plates and gas diffusion layers for PEM fuel cells // Journal of Applied Electrochemistry. - 2006. - 36:991-996.

12. Grigoriev S.A., Kalinnikov A.A., Fateev V.N., Wragg A.A. Numerical optimization of bipolar plates and gas diffusion layers for PEM fuel cells // Journal of Applied Electrochemistry. - 2006. - 36:991-996.

13. Баранов И.Е., Калинников А.А., Коробцев С.В. и др. Силовые установки для БПЛА на топливных элементах: перспективы применения // Энергия: экономика, техника, экология. - 2014. - № 4. - С. 31-36.