Рассматриваются типы топливных элементов (ТЭ) для БЛА, произведено сравнение ТЭ по типу исполнения.

Аннотация статьи
электроэнергия топливных элементов
тип электролита
рабочая температура
Ключевые слова

Электроэнергию топливных элементов обычно получают из водорода и кислорода в результате электрохимической реакции. Реакция экзотермическая, дающая побочный эффект – воду. В топливном элементе химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию. Традиционное производство электроэнергии сопровождается поэтапным процессом преобразования энергии:

  1. Химического – термальным,
  2. Термально – механическим,
  3. Механически – электрическим.

Существуют типы топливных элементов, не требующих водорода в качестве топлива. Эти элементы видятся интересными, но ограниченными под использование в движительных системах беспилотных летательных аппаратов. Можно условно разделить топливные элементы на категории, принимая во внимание, например:

  • тип электролита,
  • рабочую температуру,
  • электрическую эффективность и другие свойства.

Также в некоторых случаях возникают проблемы с продуктами электрохимической реакции топливного элемента (СО, сульфиды, галогениды), которые рассматриваются как загрязнение.

В случае мобильных приложений основным типом топливных элементов является протонообменная мембрана (PEM), называемая также полимерно-электролитно-мембранным топливным элементом (PEMFC), работающим на чистом водороде.

Этот вид топливных элементов обладает лучшими свойствами с точки зрения использования в беспилотных летательных аппаратах. Однако некоторые другие типы топливных элементов также интенсивно исследуются производителями БПЛА.

Таблица

Сравнение ТЭ по типу исполнения

Тип элемента

Типичные электроды

Типичное топливо

Загрязняющие вещества

Температура, ºC

КПД, %

Низкотемпературный PEM

Твёрдый Nafion

Водород

CO, H2S

60 – 80

40 -60

Высокотемпературный PEM

Полибензимидазол, допированный фосфорной кислотой

Водород

CO

110 – 180

50 – 60

Твердооксидный

Твердый иттрий-стабилизированный

цирконий (YSZ)

Углеводородное

(метан,

пропан)

Сульфиды

800 – 1000

55 – 65

Расплавленный карбонат

Жидкихе щелочные карбонаты

(Li2CO3, Na2со3, К2СО3)

в алюминате лития

(LiAlO2)

Метан

Сульфиды, галогениды

СО2, зольность,

сера

600 – 700

55 – 65

Фосфорная кислота

Концентрированная жидкость

Водород

CO, H2S

160 – 220

36 – 45

Обычно применяются мембраны на основе PFSA (перфторсульфокислоты) с торговым наименованием «Nafion», выпускаемые «DuPont». Мембраны PEM являются наиболее подходящими по причине высокой гибкости. Преимущества топливных элементов PEM с точки зрения транспортных применений, среди прочего:

  • высокая плотность мощности,
  • быстрое время запуска,
  • высокая эффективность,
  • низкая рабочая температура,
  • простое и безопасное обращение.

Анализируя различные виды топливных элементов, можно констатировать: потенциальная возможность применения топливных элементов для тяги беспилотных летательных аппаратов зависит от уровня технологической зрелости и баланса преимуществ и недостатков.

Из представленных топливных элементов, наиболее перспективными являются:

  • низкотемпературный ПЭМ (LTPEM),
  • твердооксидный (SOFC),
  • на основе расплавленного карбоната (MCFC),
  • прямого метанола (DMFC).

Одним из наиболее перспективных вариантов выступает щелочной топливный элемент (AFC), но использование этого типа ограничено специальными применениями, например, космической программой НАСА. В случае твердооксидного ТЭ гибкость более обширна. Несмотря на высокую рабочую температуру, проведено несколько испытаний этого источника энергии для тяги беспилотных летательных аппаратов.

Возможность использования углеводородного топлива очень привлекательна, но всё ещё очень сложна в реализации. Прямой углеродный топливный элемент обладает более высоким электрическим КПД – 70–90%, но в настоящее время является источником энергии только под стационарные применения.

Другими факторами потенциального использования топливных элементов для приводов беспилотных летательных аппаратов являются:

  • общие затраты на компоненты системы (в основном, катализаторы),
  • удельная мощность,
  • устойчивость к загрязнителям топлива.

Очень важным, особенно для военных применений, видится быстрый запуск и динамическое реагирование на спрос энергии. Здесь лучшая производительность представлена устройством типа LTPEM, благодаря низкотемпературной работе. Особое внимание следует уделить трём типам топливных элементов, которые в настоящее время применяются или испытываются в качестве источника энергии беспилотных летательных аппаратов: PEMFC, SOFC, DMFC.

Рис. Сравнение силовых установок: А – диапазон километража; В – диапазон продолжительности полёта; 1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – литий-полимерная батарея; 3 – цинк-воздушная батарея; 4 – ТЭ пропан (SOFC); 5 – ТЭ сжатый водород (PEMFC)

Тихая работа топливных элементов и низкое тепловыделение (низкая акустическая и тепловая трассировка) являются очень желательной характеристикой. Такая характеристика делает этот источник тяги БПЛА выгодным по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и хорошо приспособленным к скрытой природе беспилотных летательных аппаратов.

Силовые установки являются относительно сложными, содержат:

  • топливные баки (генераторы),
  • топливные элементы,
  • буферные батареи,
  • электронное оборудование управления.

Электроникой обеспечивается надлежащий заряд батареи и оптимальное использование энергии для максимальной эффективности электрических двигателей винтов и продолжительности полета БПЛА.

На современном уровне технологического состояния отсутствие буферных батарей представляется невозможным по соображениям безопасности. Здесь следует упомянуть в основном Li-Po, Zinc-Air, Li-Air батареи.

Сравнение пяти различных силовых установок БПЛА, представленных на рисунке, показывает, что силовая установка PEMFC на сжатом водороде обладает наибольшим потенциалом выносливости и дальности полёта беспилотного аппарата.

Тенденция к использованию гибридных силовых установок, состоящих из топливных элементов и батарей или топливных элементов и тепловых двигателей (не упомянутых в этой статье), носит временный характер. Ограничения по времени – до тех пор, пока не будут разработаны надёжные системы топливных элементов.

Текст статьи
  1. Соболев В., Соколов М., Родин М. Литий-тионилхлоридные источники питания // Компоненты и технологии. - 2010. - № 7. - С. 124-126.
Список литературы