Разработка энергетических установок на базе топливных элементов для военной автомобильной техники

2. Амосов А.А., Синицын С.Б. Основы теории сейсмостойкости сооружений. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 136 с.

3. Васильев А.Н. MathLab. Практический подход. - СПб.: Изд-во НиТ, 2015. - 442 с.

4. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. - СПб.: Изд-во Лань, 2010, - 399 с.

5. Некрасов В.В. Динамика сооружений. Учебник. - СПб.: ВИСИ, 1994, - 336 с.

Военная автомобильная техника

УДК: 355.692.2:629.33:621.352

Сайданов В.О., Кривошей В.О., Семенов С.В. Saidanov V.O., Krivoshay V.O., Semenov S. V.

Разработка энергетических установок на базе топливных элементов для военной

автомобильной техники Development of power plant based on fuel cells for military automobile technics

Аннотация:

В статье представлены некоторые результаты выполнения КНИР «Типаж-2-МТО» по разработке предложений по созданию энергетической установки на базе топливных элементов (ЭУ с ТЭ) с твердополимерным электролитом для автомобиля КАМАЗ-5350. Рассмотрены основы устройства и преимущества ЭУ с ТЭ перед другими источниками энергии для транспортных средств, общая концепция их создания и варианты схемно-компоновочных решений ЭУ с ТЭ для автомобиля КАМАЗ-5350. Abstract:

The article presents some results of the implementation of the CRP "Typag-2-MTO" on the development of proposals for the creation of a power plant based on fuel cells (PP with FC) with a solid polymer electrolyte for a KAMAZ-5350 vehicle. The basics of the device and the advantages of PP with FC over other energy sources for vehicles, the general concept of their creation and options for circuit layout of PP solutions with FC for KAMAZ-5350 are considered.

Ключевые слова: топливный элемент, электрохимический генератор, энергетическая установка.

Keywords: fuel cell, electrochemical generator, power plant.

Военная автомобильная техника (ВАТ) играет важную роль в обеспечении обороноспособности страны. Она, в том числе, широко используется как на этапе возведения объектов военной инфраструктуры, так и в период эксплуатации указанных объектов.

Основными функциональными элементами существующей ВАТ являются ее энергетическая установка (на базе ДВС) и механическая трансмиссия.

Анализ мирового опыта развития транспорта, в том числе ВАТ, показывает, что основными направлениями его совершенствования являются:

- применение энергосберегающих технологий;

- использование экологически чистых топлив;

- замена механической трансмиссии на электрическую.

Дополнительно ВАТ должна обладать следующими свойствами:

- отсутствием шума и демаскирующих выбросов энергетической установки;

- высокой топливной экономичностью и запасом хода;

- повышенным моторесурсом.

Одним из путей реализации вышеуказанных положений является разработка ВАТ с энергоустановкой на базе топливных элементов (ТЭ) и электрической трансмиссией.

Энергоустановки на базе ТЭ, благодаря присущему только им уникальному сочетанию качеств активно внедряются во все области деятельности человечества и, прежде всего, в области оборонной и специальной техники.

В настоящее время на кафедре двигателей и тепловых установок Военного института (инженерно-технического) Военной Академии материально-технического обеспечения имени А.В. Хрулева (ВИ(ИТ) ВА МТО) выполняется КНИР «Типаж-2-МТО». Одной из задач данной КНИР является разработка предложений по направлениям совершенствования источников электрической энергии межвидового назначения для воинских формирований ВС РФ на период до 2030 г. В рамках решения данной задачи совместно с филиалом «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (г. Санкт-Петербург) разрабатывается проект энергетической установки на базе ТЭ для автомобиля КАМАЗ-5350.

Разрабатываемые ЭУ призваны заменить традиционные ДВС, которые подошли к такому этапу своего развития, когда дальнейшее их усовершенствование не приносит значимого прироста КПД и ограничивается в пределах 40%. В силу специфической особенности теплоты она может лишь частично превращаться в работу, а основная часть теплоты бесполезно рассеивается в окружающем пространстве. Также традиционные ДВС являются источниками вредных выбросов и наносят существенный вред окружающей природной среде.

Наиболее перспективным приводом для транспортных средств являются электродвигатели, берущие энергию от энергоустановок с твердополимерными ТЭ (ТПТЭ), где возможен рост КПД вплоть до 85 %.

По совокупным технико-экономическим характеристикам ЭУ на основе ТПТЭ превосходят источники электропитания на основе аккумуляторных батарей (АКБ) и установок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), так как обладают следующими преимуществами [1,2,3]:

- полное отсутствие вредных выбросов во время работы;

- работает практически бесшумно;

- практически мгновенный запуск, с приемом до 50% нагрузки от максимальной мощности, и выход на полную мощность в течение нескольких минут;

- экономичное использование топлива (водорода) на всех режимах работы, при этом потребление водорода менее 0,06 кг/кВт-ч на всех режимах нагрузки;

- высокая маневренность на всех режимах нагрузки;

- высокая надежность и возможность дистанционного управления и тестирования;

- длительный период межрегламентного обслуживания (12 мес.);

- длительный срок хранения без обслуживания (более 10 лет).

Энергетические установки на топливных элементах в промышленно развитых (США, Япония, страны ЕС) странах находятся на стадии бурного развития применительно к различным областям использования в стационарных и транспортных секторах.

Реальными примерами реализации и внедрения технологий электроэнергетических систем на основе ЭУ на ТЭ в области транспортной энергетики являются такие модели, как: Ford Focus FCV; Mazda RX-8 hydrogen; Mercedes-Benz A-Class; Honda FCX; Toyota Mirai; MAN Lion City Bus [ 4 ].

Топливный элемент (ТЭ) - одна из разновидностей электрохимических элементов, существенным преимуществом которой является то, что в отличие от гальванических (первичных) элементов и аккумуляторов электроды в ТЭ в процессе выработки электрической энергии не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в их состав не входят, а подаются в ТЭ в момент его работы.

Таким образом, схема обеспечения реагентами ТЭ подобна схемам топливоснабжения тепловых машин, однако в них достигается более высокий КПД за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию. На рис. 1. представлена упрощенная схема ТЭ [5]. ТЭ состоит из двух электродов с электродными камерами и ионного проводника (электролита) между ними. На одном из электродов (аноде) происходит реакция электроокисления топлива. На втором электроде (катоде) протекает электрохимическое восстановление окислителя, как правило, кислорода.

Рис. 1. Упрощенная схема топливного элемента:

1 - электролит; 2 - катод; 3 - катодная камера; 4 - анодная камера; 5 - анод;

Т - топливо; Ок - окислитель; Пк - продукты катодных реакций;

Па - продукты анодных реакций

В электролите происходит движение положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов). Ионный проводник также служит для разделения окислителя и восстановителя. При работе ТЭ анод и катод замыкаются проводником первого рода, по которому электроны двигаются от анода к катоду, совершая на своем пути работу.

Хотя процесс превращения химической энергии в электрическую происходит непосредственно в ТЭ, одного ТЭ недостаточно для непрерывной генерации электрической энергии. Напряжение ТЭ обычно не превышает 1 В. Токи, обираемые от одного элемента, относительно невелики. Поэтому для увеличения напряжения и тока отдельные элементы соединяют в батарею ТЭ. Для постоянного получения электроэнергии необходимо непрерывно подводить в батарею ТЭ окислитель и топливо, выводить из батареи продукты реакции, поддерживать постоянную температуру, регулировать напряжение и т.п. Поэтому реальная генерация электрической энергии и теплоты происходит в электрохимических генераторах (рис. 2).

Электрохимический генератор (ЭХГ) - это энергоустановка, состоящая из батареи ТЭ, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты.

Разработанные ТЭ классифицируются по типу ионного проводника (электролита).

Выбор типа топливного элемента для транспортных средств в основном зависит от таких характеристик как рабочая температура и время пуска. Температура должна находиться в пределах 150 °С, так как применение высокотемпературных ТЭ сильно усложняет конструкцию транспортного средства. На сегодняшний день на транспорте используются исключительно ТПТЭ.

Рис. 2. Структурная схема электрохимического генератора

Твердыми полимерными электролитами называют вещества, имеющие полимерное строение, причем в состав полимеров входят функциональные группы, способные к диссоциации с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость [6].

В ТПТЭ ионным проводником является ионообменная мембрана с проводимостью по ионам водорода (протонам), поэтому эти ТЭ также называются ТЭ с протонообменной мембраной.

Современный ТПТЭ состоит из тонкой (от 50 до 250 мкм) пленки, покрытой с двух сторон катализатором (анодным и катодным); к слоям катализатора прижаты пластины - токосъемники, сделанные из какого-нибудь (тут возможны самые разные варианты) газопроницаемого пористого материала, хорошо проводящего электричество. К пластинам, в свою очередь, прижаты поверхности (лотки) с каналами, по которым к катоду и аноду подводят кислород и водород. Обычно в режиме отдачи максимальной мощности напряжение на элементе составляет 0,5...0,6 В. Для увеличения мощности и напряжения ТЭ с ТПЭ объединяют в батареи [7, 8].

На рис. 3 представлены опытный образец батареи ТПТЭ мощностью 10 кВт, разработанной филиалом «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» [8].

Рис. 3. Батарея водородно-воздушных топливных элементов с твердополимерным электролитом: а - конструктивное решение; б - внешний вид; 1 - камера биполярная; 2 - камера биполярная концевая; 3 - сборка элементная; 4 - электроизолятор; 5 - плита; 6 - пластина токосборная; 7 - стержень токосъемный Общая концепция создания энергетической установки ВАТ на базе ЭХГ с ТПТЭ представлена на рис. 4 [9].

Рис. 4. Общая концепция ЭУ ВАТ на базе ЭХГ:

1 - ведущие колеса; 2-тяговый асинхронный электродвигатель; 3 - электрический инвертор; 4 -буферный накопитель энергии; 5 - вспомогательный агрегат; 6 - согласующий электрический преобразователь; 7 - водородно-воздушный топливный элемент; 8 - газоаналитическая система контроля; 9 - системы хранения и подачи газообразного водорода и азота; 10-14 - система управления ЭУ; 15 - органы управления.

Согласно принятой концепции ЭУ транспортного средства (ТС) на унифицированной автотранспортной платформе (УАТП) включает в себя: механически связанный с ведущими колесами 1 ТС тяговый асинхронный электродвигатель (ТАЭД) 2, первичный источник электрической энергии батарею водородно-воздушных ТЭ (ВВТЭ) 7, буферный накопитель энергии (БНЭ) 4 и систему управления ЭУ 10-14.

Батарея ВВТЭ 7, являющаяся в предлагаемой схеме первичным источником энергии, питается компримированным водородом из системы хранения и подачи газообразного водорода и азота (СХиП ГВиА) 9 и кислородом, получаемым из атмосферного воздуха, вырабатывает электроэнергию для заряда БНЭ 4, состоящего из четырех блоков аккумуляторных батарей. Заряд БНЭ 4 осуществляется через согласующий электрический преобразователь (СЭП) 6, который дополнительно имеет электрический выход для питания электрических вспомогательных агрегатов (ВА) 5 ТС. Энергия, накопленная в БНЭ 4, расходуется на питание ТАЭД 2 через электрический

инвертор частотного регулирования (ЭИ) 3, преобразующий постоянное напряжение БНЭ 4 в

33

переменное изменяемой частоты и амплитуды и наоборот, что необходимо для рекуперации энергии при торможении. ТАЭД (2) механически соединен с ведущими колесами транспортного средства (1).

Параметры подачи водорода в батарею ВВТЭ 7 устанавливаются с учетом режимов ее работы бортовой системой хранения и подачи газообразного водорода и азота (СХиП ГВиА) 9. СХиП ГВиА 9 также обеспечивает подачу азота в батарею в случае необходимости его аварийной остановки при утечке водорода, обнаруженной газоаналитической системой контроля (ГАСК) 8, или в случае необходимости консервации батареи ВВТЭ перед длительным хранением.

Электронная система автоматического управления и контроля (ЭСАУиК) в предлагаемой схеме является многоуровневой и выполнена в модульном исполнении 10-14. Отдельные модули этой системы осуществляют управление и контроль такими узлами схемы, как: СХиП ГВиА 9, батарея ВВТЭ 7, СЭП 6, БНЭ 4 и ЭИ 3. Описанные модули системы управления имеют связь с объектами управления и контроля и непосредственно с электронной системой управления верхнего уровня (ЭСУ ВУ). ЭСУ ВУ служит для координирования действий всех элементов энергоустановки ЭУ, обеспечения наиболее эффективной их работы и обеспечения управления всей энергоустановкой по сигналам органов управления (ОУ) 15 транспортным средством.

На основании принятой концепции разработки ЭУ ВАТ на базе ЭХГ с ТПТЭ для автомобиля КАМАЗ-5350 был выполнен расчет и выбор основного оборудования и технических систем. На рис. 5, 6 представлены принципиальные электрическая и газогидравлическая схемы ЭУ.

При разработке были приняты следующие технические решения [7]:

- применение в конструкции БТЭ каскадной схемы подачи водорода в ТЭ, что позволяет обеспечивать избыток по водороду, без применения рециркуляции анодного газа, все ТЭ в БТЭ кроме последнего будет работать, таким образом, в тупик. Данное решение позволяет существенно уменьшить массогабаритные характеристики ЭХГ за счет отказа от дополнительного оборудования необходимого для обеспечения рециркуляции водорода;

- применение в качестве катализатора для мембранно-электродного блока со стороны анода модифицированный катализатор следующего состава: Pt/SnO2eSiO2/C (4 % SnO2, 6 % SiO2, 20% Р^С), что позволяет работать при плотностях тока близких 1 А/см2 при относительной влажности 10 %. Данное решение позволяет отказаться от увлажнения воздуха, что в свою очередь позволяет уменьшить массогабаритные характеристики ЭХГ и исключает затраты собственных нужд на электропитание подогревателей воды и воздуха.

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема ЭУ для автомобиля КАМАЗ-5350:

АСУ - автоматическая система управления; ЭХГ - электрохимический генератор; ПС -преобразующая система (инвертор); ПСН - преобразователь собственных нужд; М -электродвигатель; ЗУ - зарядное устройство; АБ - аккумуляторная батарея; БТЭ - батарея

топливных элементов

Рис. 6 Принципиальная газогидравлическая схема ЭУ для автомобиля КАМАЗ-5350:

БЛ - блок; РД - редуктор давления; Р - датчик давления; Бп - баллон азота; Б - баллон; Н - насос; ЭН - электронагреватель; Ф - фильтр; ЕК - емкость компенсационная; В - вентилятор; ^Т - теплообменный аппарат; К - клапан; Т - датчик температуры; БТЭ - батарея топливных элементов; ШГ - шумогаситель; НВ - нагнетатель воздуха; ОП - огнепреградитель; КР- клапан регулируемый;

Примечание: Первая цифра в сокращении обозначает, с какой средой работает прибор: 1 - топливо;2 - воздух; 3 - вода. Цифра после тире - порядковый номер.

Твердополимерный водородо-воздушный ЭХГ состоит из двух блоков батарей топливных элементов (БТЭ). БТЭ выполнена из 402 топливных элементов, собранных в пакет и стянутых в единую конструкцию с помощью анкерных шпилек и двух периферийных крышек.

Электрическое соединение ТЭ между собой в батарее - внутреннее последовательное посредством биполярных пластин - биполярных холодильных камер, соединение по рабочим средам внутри батареи - параллельное. Отбор электрической энергии от БТЭ производится с токосъемов, выведенных на наружную поверхность крышек.

На рис. 7 представлена общая структурная схема расположения оборудования ЭУ с ЭХГ для автомобиля КАМАЗ-5350.

Рис.7 Структурная схема компоновки ЭУ на основе ЭХГ для КАМАЗ-5350: 1 - топливный блок №1; 2 - топливный блок №2; 3 - энергоблок; 4 -система автоматического управления; 5 - система контроля и преобразования электроэнергии; 6 - батарея топливных элементов №1;7 - батарея топливных элементов №2 Оборудование, входящее в состав ЭХГ, смонтировано на общей раме и располагается следующим образом:

Две БТЭ с ТПТЭ представляют собой единый ЭХГ. Вторая БТЭ располагается рядом с первой и соединена с ней по водороду и по воздуху последовательно. К входному присоединительному порту БТЭ через воздуховод присоединена воздуходувка. К входным и выходным патрубкам полостей СТС двух БТЭ присоединен контур СТС, в состав которого входят водяной насос, электронагреватель, фильтр, теплообменный аппарат и компенсационная емкость. Две БТЭ к контуру СТС присоединены параллельно через присоединён трубопровод подачи водорода. Выходной патрубок первой БТЭ соединен с входным патрубком второй БТЭ, а выходной патрубок второй БТЭ соединен через трубопровод со сбросной свечой и клапаном слива реакционной воды.

Водородные баллоны помещаются в пространство между тентом и кабиной, которое освобождается вследствие отказа от ДВС и его системы выхлопа отработавших газов.

Вся система управления помещается под капотом автомобиля.

Выводы:

Замена существующих ДВС на ЭХГ с одновременной заменой механической трансмиссии на электрическую - перспективный путь развития транспорта, в том числе ВАТ. ТПТЭ, разработанные филиалом «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» по собственной технологии из отечественных материалов, являются основой ЭХГ для ВАТ.

Согласно принятой концепции энергетическая установка транспортного средства (ТС) на унифицированной автотранспортной платформе включает в себя: механически связанный с ведущими колесами тяговый электродвигатель, первичный источник электрической энергии -батарею ТПТЭ, буферный накопитель энергии и систему управления.

Проведенные предварительные исследования позволили сформировать облик энергетической установки с ЭХГ на базе ТПТЭ для автомобиля КАМАЗ-5350.

Список литературы:

1. Григорьев С. А. Водородные электрохимические системы для транспорта // Транспорт на альтернативном топливе. — 2013. — № 4. — С. 43-45.

2. Савёлова Э.В., Винаков А.Ф., Бондаренко Л.И. Технические характеристики водородных автомобилей // Электротехнические и компьютерные системы. - 2017. - № 25(101). - С. 161 - 167.

3. Дэниэлс Д. Современные автомобильные технологии. -М.: АСТ, 2015. -224 с.

4. https://www.hydrogenics.com/technology-resources/hydrogen technology/fuel-cells

5. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. - М.: Энергоатомиздат, 1991.- 264 с.: ил.

6. Сайданов В.О. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - СПб.: Минобороны РФ, ВИ(ИТ) ВАМТО, 2012 - 468 с.

7. Сайданов В.О., Ландграф И.К., Касаткин М.А. Энергетические установки на основе топливных элементов // Двигателестроение. - 2017. - № 4 (270), с. 25-33, - 2018. - № 1 (271), с. 27-30.

8. Сайданов В.О., Михайлов А.К., Ландграф И.К. Энергетические установки на базе топливных

38

элементов // Новости электротехники.- 2007, № 5 (47), - c. 2-5, № 6 (48), - c.27-29. 9. Патент РФ 2475377 С1 МПК B 60 L11/18. Комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства / Ипатов А.А., Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю. - Опубл. 20. 02. 2013., бюл. № 5.

Исследования и разработки в области эффективности, надежности и боевого использования вооружения и военной техники

УДК 357.372

Муравский А.П. Muravsky A.P.

Закономерности, определяющие правила построения автокомпенсаторов помех в нестационарных условиях The regularities defining the rules of construction of self-balancing potentiometer for jamming in non-stationary conditions

Аннотация:

В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с особенностями функционирования основных типов автокомпенсаторов в нестационарных условиях. Представлены результаты исследования, в которых на примере адаптивных антенных решеток (ААР) анализируются направленные свойства ААР в зависимости от точности представления входных данных и размера выборки. Abstract:

This article deals with the questions of functioning features of main types of self-balancing potentiometers in non-standard conditions. The results of the research are presented including analysis of the directional responses of AAR using example of adaptive antenna arrays (AAR), depending on the accuracy of the given input data and the size of data selection.

Ключевые слова: автокомпенсатор помех, направленные свойства антенны, точность представления входных данных, диаграмма направленности антенны, адаптианая антенная решетка.

Keywords: self-balancing potentiometer, antenna's directional responses, accuracy of the given input data, antenna's angular pattern, adaptive antenna array.