Новый высокоэффективный вид источника энергии для электромобилей

Новый высокоэффективный вид источника энергии для электромобилей

И.К. Александров,

профессор Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ), д.т.н., В.А. Раков, инженер ВоГТУ

В статье показан новый вид источника электрической энергии, представляющий комбинацию топливного элемента трубчатой топологии с высокоэффективным термоэлектрическим генератором, изготовленным на основе сульфида самария. Последний в виде «рубашки» надевается на топливный элемент, в результате величина ЭДС, генерируемая комбинированной конструкцией, возрастает на 24 %.

Ключевые слова: топливный элемент, термоэлектрический генератор.

New highly effective kind of the source energy for electromobiles

I.K. Aleksandrov, V.A. Rakov

In the article a new kind of the electric energy source is shown. It presents a combination of a fuel element of tubular topology with the highly effective thermoelectric generator made of samarium sulphide. The thermoelectric generator is put on a fuel element like a "shirt". As a result the magnitude of the electromotive intensity (EMI) generated by the combined construction increases in 24 %.

Keywords: a fuel element, the thermoelectric generator.

Для практического использования электрифицированных транспортных средств (ТС), анализ перспектив развития которых с целью снижения нагрузки на окружающую среду предпринят в [1], предлагается традиционная схема силовой энергоустановки ТС. Она включает накопитель электрической энергии (аккумулятор) и тяговый электродвигатель. Такое техническое предложение, на наш взгляд, нельзя считать идеальным решением экологической проблемы по ряду причин:

• во-первых, получение электрической энергии, необходимой

для зарядки аккумуляторов ТС, до настоящего времени является процессом, отрицательно влияющим на экологию;

• во-вторых, производство самих аккумуляторов сопряжено с использованием невосполнимых ресурсов и опять же с серьезным загрязнением окружающей среды;

• в-третьих, утилизация отработавших срок службы аккумуляторных батарей, которая до настоящего времени также является экологической проблемой, практически не решена.

Поэтому все большее внимание многие крупные автомобильные

фирмы уделяют созданию электромобилей, работающих на топливных элементах (ТЭ) без аккумуляторов. ТЭ - источники энергии, обеспечивающие непосредственное преобразование окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, минуя малоэффективный, идущий с большими потерями процесс горения. ТЭ получили определенное применение в аэрокосмической, судостроительной, нефтяной промышленности в качестве электростанций небольшой мощности (альтернатива дизель-генераторных установок), а также в других отраслях экономики, где существует потребность в автономных источниках энергии. Одним из наиболее перспективных потребителей ТЭ станет автомобилестроение.

Исследования показали, что существующие ТЭ имеют недостаточно эффективные удельные показатели - сравнительно небольшой объем вырабатываемой энергии на единицу массы. При разработке специалистами Волжского автомобильного завода ТС «LADA ANTEL», работающего на ТЭ, был предусмотрен буферный аккумулятор для создания пиковой мощности, которую не может обеспечить ТЭ при разгоне автомобиля [2]. Ввиду этого очевидна необходимость доработки ТЭ для повышения их энергоэффективности. Рассмотрим устройство, запатентованное ВоГТУ [3], позволяющее решить поставленную задачу.

Известны твердотельные оксидные топливные элементы, в которых анод, имеющий пористую структуру, соприкасается с топливом, а аналогичный по структуре катод - с окислителем (кислород воздуха). Между электродами

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (24) декабрь 2011 г.

Транспорт и экология

размещен твердооксидныи электролит, обеспечивающий возникновение ЭДС при электрохимическом окислении. Конструкция ТЭ такого типа представлена в [4]. Еще более широко известны ТЭ типа SOFC, серийно выпускаемые фирмой Siemens Westinghouse Power Corporation.

В ТЭ в результате электрохимической реакции соединения водорода с кислородом напрямую вырабатывается электрическая энергия. Продуктом реакции является также перегретая вода, которая в виде пара может быть использована для привода микротурбинного генератора.

КПД ТЭ по вырабатываемой электрической энергии составляет 40 %. Остальная часть энергии, получаемая в результате окислительной реакции, передается в окружающую среду в виде теплоты. Если частично вырабатываемая теплота за счет микротурбинного генератора превращается в электрическую энергию, КПД ТЭ может быть повышен на 5...10 %. И все же в итоге более 50 % энергии, полученной от сгорания топлива, бесполезно рассеивается в атмосфере.

Известны термоэлектрические преобразователи-генераторы (ТЭП) [5], содержащие полупроводник на основе сульфида самария, в которых генерируется термо-ЭДС при равномерном нагреве всего элемента. В сравнении с термоэлектрическими преобразователями (генераторы), работающими на основе использования широко известного термоэлектрического эффекта Зеебека [6], SmS-термогенераторы имеют два принципиальных преимущества, которые обеспечивают конструктивную возможность и энергетическую целесообразность

создания предлагаемого нового устройства - топливного элемента с термоэлектрическим преобразователем (ТЭТЭП):

• отпадает необходимость в обеспечении разности температурных потенциалов в элементах термоэлектрического преобразователя, что принципиально упрощает конструктивное решение ТЭТЭП;

• КПД БтБ-термогенератора в 4 раза выше, чем у традиционных термогенераторов; по результатам экспериментальных исследований [5] средний КПД БтБ-термо-генератора - 40 %, в то время как у традиционного КПД не превышает 10 %.

ТЭТЭП представляет собой комбинацию топливного элемента и термоэлектропреобразовате-ля, при этом ТЭП используется как «рубашка» к ТЭ.

В соответствии с конструктивными решениями, представленными в [5], допускается изготовление БтБ-термогенератора в виде плоской трехслойной конструкции. Нами предложено выполнить

эту конструкцию в виде разрезной трубы, то есть свернуть плоскую трехслойную конструкцию в трубку, которая плотно надевается на ТЭ, чем обеспечивается надежная электрическая связь между ТЭ и ТЭП, и при окислительном процессе внутри ТЭ большая часть выделяемой тепловой энергии передается ТЭП. Благодаря электрической связи между ТЭ и ТЭП при замыкании этой цепи на внешний потребитель обеспечивается возникновение в комбинированном устройстве суммарной электродвижущей силы.

Надетая на топливный элемент «рубашка» из БтБ-термогенерато-ра поглощает избыточную теплоту, при этом ее часть (40 % согласно [5]) превращается в электроэнергию, что обеспечивает повышение общего КПД комбинированной системы на 60x0,4=24%. Таким образом, общий КПД комбинированной системы по электрической энергии составляет 64 %.

Базовые элементы предлагаемого устройства хорошо сочетаются по рабочим температурным

Рис. 1. Комбинированное устройство (ТЭТЭП) для получения

электрической энергии постоянного тока: I - топливный элемент; II - термоэлектропреобразователь

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (24) декабрь 2011 г.

t jBkДШИ .....ттигятп,.,

режимам и величине генерируемого напряжения постоянного тока. Согласно [6], реакция в отдельной ячейке ТЭ обеспечивает ЭДС с напряжением 1 В, а рекомендуемый температурный режим ТЭ - более 250 °С. В соответствии с исследованиями [5] разработчиков ТЭП на основе SmS рабочий интервал температур должен быть 130...500 °С, а генерируемое постоянное напряжение - 0,5...1,5 В, что создает техническую возможность совместной комбинации ТЭ и ТЭП в выбранной конструкции.

Устройство (рис. 1) в виде комбинации известного топливного элемента трубчатой топологии конструкции Siemens Westing-house Power Corporation (элемент I) с модернизированным SmS-тер-могенератором в виде «рубашки» (элемент II), надеваемой на внешний корпус ТЭ, содержит канал 1 для подачи воздуха (кислород), катод 2, канал 3 для подачи топлива (водород), твердый электролит 4, анод 5, катод 6, полупроводник на основе SmS 7, анод 8.

Устройство работает следующим образом.

В элементе I(ТЭ) происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной

реакции в электрическую за счет взаимодействия топлива, подаваемого в канал 3, с окислителем, подаваемым из канала 1. В результате на электродах топливного элемента I (катод 2 и анод 5) происходит накопление электрического потенциала. При этом большая часть энергии электрохимического горения (примерно 60 %) превращается в теплоту.

Эта тепловая энергия поглощается элементом II, плотно облегающим элемент I. Под

воздействием тепловой энергии в элементе II возникает собственная ЭДС. За счет плотного соединения элементов I и II обеспечивается надежная электрическая связь и ЭДС, возникающие в элементах I и II, суммируются. При этом предусматривается два конструктивных решения:

• последовательное соединение электрической цепи - анод элемента I соединяется с катодом элемента II (рис. 2а);

• параллельное соединение - анод элемента I соединяется с анодом элемента II (рис. 26).

Для повышения энергоэффективности устройства перегретая вода, возникающая как продукт окислительной реакции в ТЭ, может быть направлена на микротурбинный генератор.

Представленная конструктивная разработка решением Международного жюри XIV Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2011» награждена Дипломом с Золотой медалью.

Литература

1. Александров И.К. Перспективы развития транспортных средств с электроприводом / И.К. Александров, В.А. Раков, А.А. Щербакова // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4. - С. 65-68.

2. Лысякова С. LADA ANTEL: новая концепция автомобиля / С. Лыся-кова // Экономика России: XXI век. - 2006. - № 22. - С. 26-30.

3. Патент № 2378742 С1 РФ. Устройство для получения электрической энергии постоянного тока / И.К. Александров, Е.В. Несговоров, В.А. Раков - Заявлен 17.11.2008; опубл. 10.01.2010, Б.И. № 1.

4. Патент РФ 2332754 Н01М 8/12. В.П. Коржков, С.И. Бредихин, В.В. Кве-дер и др. Трубчатый твердооксидный топливный элемент с металлической опорой. - Опубл. в БИ № 24, 2008.

5. Патент РФ 2303834, H01L 37/00. Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора / В.В. Каминский, А.В. Голубков, М.М. Казанин, И.В. Павлов, С.М. Соловьев, Н.В. Шаренкова. - Опубл. в БИ № 21, 2007.

6. Кромптон Т. Источники тока / Т. Кромптон. - М.: Мир, 1986. - 328 с.

»ЮПФйявби

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (24) декабрь 2011 г.