Analiza możliwości zasilania wyposażenia pojedynczego żołnierza przy zastosowaniu ogniw paliwowych

Transkrypt

1 Piotr Szymak 1 Analiza możliwości zasilania wyposażenia pojedynczego żołnierza przy zastosowaniu ogniw paliwowych Wstęp Ostatnie operacje sił NATO pokazały jak bardzo istotne są sensory i urządzenia elektroniczne wykorzystywane przez żołnierza na współczesnym polu walki. Ich stopień zaawansowania technologicznego często decyduje o powodzeniu całej misji. Zastosowanie coraz większej liczby urządzeń elektronicznych wspomagających żołnierza (radiostacja, komputer z GPS, okulary termowizyjne, itp.) stwarza potrzebę dźwigania przez żołnierza źródeł energii elektrycznej o coraz większej pojemności. Rodzi to z kolei problem zwiększania masy i objętości całego wyposażenia przenoszonego przez żołnierza, co może wpływać na jego szybsze zmęczenie a nawet problemy z wykonywaniem pewnych zadań (duże wymiary problemy z pokonywaniem przeszkód inżynieryjnych, wystające elementy większe możliwości trafienia przez przeciwnika, itp.). Problem zasilania pojedynczego żołnierza zazwyczaj jest rozwiązywany przy zastosowaniu różnego rodzaju baterii i akumulatorów (tzn. pierwotnych i wtórnych ogniw elektrochemicznych źródeł energii elektrycznej). Zastosowanie ogniw pierwotnych, które można wykorzystać tylko jednorazowo, związane jest z sporym kosztem i dużymi problemami logistycznymi w trakcie realizowanych misji. Wykorzystanie ogniw wtórnych jest bardziej ekonomiczne, gdyż baterie te można wielokrotnie ładować, natomiast z ich użyciem związane są również pewne problemy. Przede wszystkim w przypadku zastosowania ogniw wtórnych do zasilania pojedynczego żołnierza niezbędne jest zapewnienie możliwości ich ładowania, obsługi i ogólnie planowania wykorzystania w trakcie misji. Jeżeli istnieje potrzeba zapewnienia urządzeń ładujących akumulatory, to również zazwyczaj jest to związane z utrudnionym dostępem do energii elektrycznej, w szczególności w trakcie realizacji misji w terenie oddalonym od bazy. Bardzo często zapewnienie ener- gii elektrycznej w takich przypadkach okazuje się być dużym wyzwaniem [1]. Z powodu przedstawionych powyżej problemów związanych z wykorzystaniem ogniw, zarówno pierwotnych jak i wtórnych oraz wymaganych masowych i objętościowych gęstości energetycznych źródeł energii elektrycznej (większych niż oferowane), istotne jest zastanowienie się nad użyciem innych źródeł energii elektrycznej lub wspomaganiem istniejących rozwiązań przez nowsze technologie. Obiecującą technologią w tej dziedzinie są ogniwa paliwowe, które wytwarzają energię elektryczną (oraz jako efekty uboczne: wodę i ciepło) w wyniku reakcji elektrochemicznej wodoru i tlenu. W zastosowaniach lądowych tlen może być pozyskiwany z otaczającego powietrza, natomiast wodór musi być magazynowany. Tlen pozyskiwany z atmosfery musi spełniać określone normy czystości. Najczęściej w rozwiązaniach militarnych tlen przed podaniem do ogniwa paliwowego musi przechodzić przez układ filtrujący. Natomiast wodór może być magazynowany w postaci sprężonego gazu, w postaci ciekłej lub stałej w tzw. wodorkach metali lub też może być wytwarzany na miejscu z innych paliw, np. metanolu, ropy naftowej, itp. W trakcie omawiania poszczególnych typów ogniw paliwowych (w kolejnym rozdziale) omówione zostaną również najlepiej pasujące do nich metody magazynowania wodoru []. Poza wspomnianymi powyżej zaletami ogniw paliwowych w stosunku do ogniw pierwotnych i wtórnych, niewątpliwie użyteczną z punktu widzenia militarnego zdolnością jest możliwość jego pracy w sposób ciągły, tzn. dopóki do ogniwa są dostarczone paliwo (wodór) i utleniacz (tlen). Dlatego też ogniwo paliwowe może okazać się bardziej użyteczne w pracy przy dużych obciążeniach elektrycznych oraz w trakcie misji o dużym czasie trwania. Im większy czas trwania misji, tym większa jest przewaga ogniwa paliwowego nad ogniwem w szczególności pierwotnym, tzn. zwiększa się gęstość energetyczna systemu zasilania opartego na ogniwie paliwowym (system ogniwa paliwowe- 1 dr inż. Piotr Szymak, Akademia Marynarki Wojennej Logistyka 6/

2 go pozostaje ten sam, a należy tylko wymieniać zbiorniki z paliwem wodorem). Istotną właściwością technologii ogniw paliwowych (o której należy wspomnieć na wstępie) jest fakt, iż jest to technologia, która ciągle się rozwija zarówno w kwestii architektury systemu ogniwa paliwowego, jak i metod magazynowania i/lub wytwarzania wodoru. W raporcie Departamentu ds. Energii Stanów Zjednoczonych (ang. US DOE Departament of Energy) [5] cyklicznie analizuje się rozwój technologiczny przenośnych systemów zasilania opartych na ogniwach paliwowych. DOE ma duże doświadczenie w prognozowaniu rozwoju różnych technologii energetycznych, m.in. w zakresie ogniw paliwowych. Na podstawie raportu DOE z 011 roku [5] należy wymienić następujące czynniki, istotne dla uzasadnienia wyboru ogniw paliwowych do zasilania pojedynczego żołnierza: 1) w zakresie rozwiązań przenośnych można wyróżnić 3 zakresy mocy: mniejszy niż W (zazwyczaj systemy zasilania pojedynczych sensorów), 10-50W (w tym zakresie mieści się zasilanie pojedynczego żołnierza), W (systemy zasilania małych platform bezzałogowych), ) oczekuje się, że w czasie od roku 011 do 015 nastąpi prawie 3-krotne zwiększenie gęstości energetycznej ogniw paliwowych, zarówno masowej (ang. specific energy), jak i objętościowej (ang. energy density) (oczywiście zazwyczaj technologia nie rozwija się tak szybko jak się oczekuje, ale ww. współczynnik zwiększenia gęstości energetycznej świadczy o dużym potencjale rozwojowym tej technologii), 3) oczekuje się również, że w ww. przedziale czasowym nastąpi zmniejszenie kosztów produkcji systemów ogniwa paliwowego o -3 razy, 4) nie bez znaczenia jest również oczekiwany i obserwowany do tej pory wzrost trwałości systemu (ang. durability) oraz jego niezawodności (średni czas pomiędzy usterkami, ang. mean time between failures). Specyfikacja potrzeb energetycznych Szczegółowa analiza potrzeb energetycznych pojedynczego żołnierza wykracza poza ramy tego artykułu. Ponadto, jest ona uzależniona od konkretnych rozwiązań sensorów stosowanych przez program rozwoju uzbrojenia realizowany w konkretnym państwa, np. w Polsce jest to program TYTAN. Bazując na doświadczeniach w pracy panelu roboczego SET-173 NATO-wskiej Organizacji ds. Nauki i Technologii (ang. STO NATO Science and Technology Organisation NATO) można przyjąć, iż misja 7 h z średnim poborem mocy 0 W to w tej chwili pewien standard wymagań przyjęty w państwach NATO w zakresie zasilania pojedynczego żołnierza. Wspomniana grupa robocza SET-173 pt. Fuel Cells and Other Emerging Manportable Power Technologies for the NATO Warfighter zajmuje się m.in. zastosowaniem ogniw paliwowych w zasilaniu pojedynczego żołnierza [4]. Zgodnie z STANAG ami 4619 i 4695 (aktualnie w ratyfikacji) można określić następujące reżimy dla systemu zasilania pojedynczego żołnierza: 1) moc średnia: 0W, ) moc maksymalna: 50W. STANAG 4619 dotyczy określenia standardów elektrycznych dla pojedynczego żołnierza (ang. Electrical Standard for Soldiers), natomiast STANAG 4695 dotyczy współpracy różnych źródeł energii (ang. Power Source Interoperability). Uwzględniając moc średnią i maksymalną oraz specyficzne właściwości ogniwa paliwowego (charakterystyka polaryzacji im większy prąd obciążenia, tym mniejsze napięcia na wyjściu stosu; bezwładność ogniwa paliwowego przy skokowych zmianach prądu obciążenia) należy podkreślić, iż ogniwo paliwowe powinno działać przy współpracy z ogniwem wtórnym lub superkondensatorem, pełniącymi rolę bufora dla ogniwa paliwowego. Ogólna charakterystyka ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w transporcie, w aplikacjach stacjonarnych i przenośnych. Jedną z zasadniczych ich zalet jest zwiększenie sprawności w porównaniu do klasycznych technologii. Ogniwa paliwowe pozwalają z dużym współczynnikiem sprawności przetwarzać różne paliwa zawierające wodór, wykazując przy tym w zależności od typu ogniwa bardzo mały lub zerowy poziom emisji substancji szkodliwych dla środowiska. Najwięcej ogniw paliwowych jest wykorzystywanych w rozwiązaniach stacjonarnych (elektrownie), przenośnych (samochody) i systemach zasilania pomocniczego i rezerwowego. Zgodnie z ww. amerykańską organizacją DOE na świecie sprzedano 15 tysięcy ogniw paliwowych do końca 009 roku, natomiast kolejne 15 tysięcy do końca 01. Ponadto, w USA do końca 011 roku w transporcie wykorzystywanych było ponad 0 autobusów 448 Logistyka 6/013

3 i ponad 00 ciężarówek, zasilanych z 60 stacji wodoru. Należy podkreślić, iż kilku producentów aut osobowych (GM, Toyota, Honda, Hyundai i Daimler) zapowiedziało, że do końca 015 roku pojawią się komercyjne rozwiązania samochodów zasilanych ogniwami paliwowymi (w tej chwili każda z tych firm prowadzi badania na modelach testowych). Widać więc, że technologia ogniw paliwowych przeżywa obecnie silny rozwój. Z powodu rosnących cen energii należy przewidywać dalszy wzrost rozwoju i zainteresowania wykorzystaniem tych urządzeń na świecie. Ogólnie rzecz ujmując, ze względu na budowę i zasadę działania (jak również wykorzystany elektrolit) wyróżnia się 6 zasadniczych typów ogniw paliwowych: ogniwa fosforowe, polimerowe, metanolowe, alkaliczne, węglanowe, tlenkowe [3][5]. Ze względu na rozważany obszar zastosowania w aplikacjach przenośnych (ang. portable) do dalszej analizy wybrano 3 następujące typy ogniw paliwowych: 1) ogniwa z membraną polimerową PEMFC (ang. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), ) ogniwa z bezpośrednim zasilaniem metanolem DMFC (ang. Direct Metanol Fuel Cell), 3) ogniwa z elektrolitem zasadowym AFC (ang. Alkaline Fuel Cell). Ponadto, ze względu na to, iż ogniwo paliwowe może być wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej jako pomocnicze źródło zasilania (ang. APU Auxiliary Power Unit) do dalszej analizy wybrano dodatkowo ogniwa tlenkowe SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell). Przyjmuje się, iż w trakcie misji pojedynczy żołnierze lub ich małe zespołu mogą działać w określonym rejonie, stąd też będą mieli dostęp do polowego punktu ładowania. W tym przypadku APU potrzebne jest do doładowywania akumulatorów przenoszonych przez pojedynczych żołnierzy. Inne dość popularne kryterium podziału ogniw paliwowych to temperatura ich pracy. Ogniwa pracujące do 100 C nazywamy niskotemperaturowymi, natomiast pozostałe wysokotemperaturowymi. Ogniwa niskotemperaturowe posiadają następujące cechy: 1) Szybki proces rozruchu i zatrzymania, ) Szybka odpowiedź na skokowe zmiany obciążenia, 3) Do wspomagania elektrokatalizy zazwyczaj stosuje się drogocenne metale, np. platyna, 4) zazwyczaj w postaci czystego wodoru o dużej czystości. Natomiast ogniwa wysokotemperaturowe posiadają następujące właściwości: 1) Długi czas rozruchu i zatrzymania, ) Wrażliwe na zmiany temperatury, 3) Wysoka temperatura pracy zmniejsza zapotrzebowanie na drogie katalizatory, np. platyna, natomiast wymagane są materiały i urządzenia pracujące w wysokich temperaturach, 4) Dopuszczalne paliwo w postaci węglowodorów. Ogniwa paliwowe LT PEM Ogniwa paliwowe PEM dzielą się na ogniwa niskotemperaturowe LT (ang. Low Temperature) i wysokotemperaturowe HT (ang. High Temperature). Na rys. 1 pokazano schematycznie budowę i zasadę działania ogniwa paliwowego PEM. Rys. 1. pojedynczego ogniwa paliwowego PEM Źródło: wikipedia W ogniwie typu PEM rolę elektrolizera pełni fluorkowany kwas sulfonowy w postaci membrany wykonanej z polimeru z dodatkiem platyny jako katalizatora. Elektrody w tym przypadku wykonane są z grafitu pokrytego na zewnątrz teflonem z wykonanymi dodatkowo kanalikami, poprzez które doprowadzane są substraty i jest odprowadzana woda w postaci pary wodnej lub ciekłej. Ogniwo LT PEM pracuje w temperaturze C przy ciśnieniu do ok. 1 bar. Ogniwa te są wrażliwe na obecność CO, który zmniejsza katalityczne właściwości platyny. Zasadę działania tego ogniwo można opisać w następujących fazach (rys. 1): 1) absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie i cząsteczek wodoru na anodzie, ) jonizacja atomów tlenu i 4 atomów wodoru, 3) migracja 4 protonów przez elektrolit, 4) rekombinacja jonów do cząsteczek wody na katodzie. W ogniwie PEM zachodzą następujące reakcje elektrochemiczne: 1) Na katodzie: Logistyka 6/

4 1 + O + H + e H O ) Na anodzie: H H + + 3) Całościowa reakcja: 1 H + O H O e Ogniwo LT PEM wymaga zastosowania: 1) regulatorów przepływu gazów reakcyjnych na wejściu stosu, ) pompy gazu dla powietrza, które dostarcza tlen na wejście stosu, 3) pompy recyrkulacji wodoru, która kieruje nadmiar wodoru z wyjścia na wejście stosu, 4) nawilżaczy zarówno dla wodoru jak i tlenu (konduktywność membrany jest uzależniona od nawilżenia gazów reakcyjnych), 5) układu chłodzenia stosu, 6) układu monitorowania poszczególnych cel stosu ogniwa paliwowego. Ogniwo LT PEM wymaga zasilania wodorem o czystości 99,999%. może być magazynowane w postaci sprężonego gazu, ciekłej lub stałej (wodorki metali). W przypadku aplikacji zasilania pojedynczego żołnierza magazynowanie wodoru w postaci ciekłej będzie związane z dużą objętością zbiornika, natomiast w postaci stałej z dużą masą zbiornika. Magazynowanie w postaci gazowej wydaje się być rozwiązaniem kompromisowym. Zalety ogniw PEM to: 1) Bezpieczna praca (stały elektrolit), ) Niska temperatura eksploatacji i niska sygnatura termiczna, 3) Łatwy rozruch i wysoka gęstość prądu. Wady tych ogniw to: 1) Wymagane paliwo to wodoru o dużej czystości, ) Dość skomplikowany system m.in. poprzez potrzebę nawilżania gazów reakcyjnych, 3) Wrażliwość na zanieczyszczenie gazów wlotowych tlenkiem węgla. Technologia LT PEM jest dostępna na rynku w postaci gotowych systemów o różnej mocy (skalowalność). Koszt systemu ogniwa paliwowego o mocy 0W bez zbiornika wodoru wynosi ok Euro. Zasadniczym problemem w przypadku rozwiązań, które mają działać w ruchu na żołnierzu, to problem zarządzania wodą generowaną przez stos oraz używaną do nawilżania gazów reakcyjnych. Ogniwa paliwowe HTPEM Wysoka temperatura pracy ogniwa HT PEM daje większą tolerancję katalizatora (zazwyczaj platyny) na obecność tlenku węgla, co skutkuje tym, iż w tym przypadku wodór może być mniej czysty. Ponadto w przypadku ogniwa wysokotemperaturowego można pominąć proces nawilżania gazów reakcyjnych. W ogniwach HT PEM zazwyczaj wykorzystuje się membrany z kwasu fosforowego domieszkowanego polibenzimadolem. Tego typu membrany muszą być podgrzane do temperatury ponad 130 ºC dla uniknięcia kondensacji wody produkowanej po stronie katody, co powoduje wypłukiwanie rozpuszczalnego w wodzie kwasu ortofosforowego. Powyżej 155ºC kwas ortofosforowy przekształca się w kwas piroforsofory, który jest nierozpuszczalny w wodzie. Dlatego też istniejące rozwiązania komercyjne HT PEM pracują w efektywnym zakresie temperatur ºC, stąd też stos wysokotemperaturowy powinien być wstępnie ogrzany do temperatury ok. 130ºC. System ogniwa paliwowego HT PEM posiada uproszczoną w stosunku do LT PEM architekturą. Nie ma potrzeby w tym przypadku zarządzania wodą ani na wejściu (nawilżanie), ani na wyjściu (woda wyparowuje przy wysokiej temperaturze pracy ogniwa). W ogniwach HT PEM można stosować wodór o mniejszej niż w przypadku LT PEM czystości ok. 97%. może być magazynowane w postaci sprężonego gazu, ciekłej lub stałej (wodorki metali), lub też może być uzyskiwane z innych paliw, np. LPG w procesie reformingu. W przypadku reformingu można wykorzystywać ciepło - efekt uboczny pracy systemu ogniwa HT PEM. Ostatni proces wytwarzania wodoru wydaje się najbardziej przyszłościowy z punktu widzenia logistyki. Do tej pory nie udało się uzyskać komercyjnego rozwiązania przenośnego systemu HT PEM z tzw. procesorem paliwa dla paliw logistycznych, np. popularny diesel, czy też w NATO JP-8. Ogniwo HT PEM posiada następujące zalety: 1) Wysoki zakres temperaturowy (150-10ºC) daje możliwość odzysku energii z ciepła w postaci energii elektrycznej (generator termoelektryczny) lub do zasilania procesu reformingu, 450 Logistyka 6/013

5 ) Wodór może być mniej czysty niż w przypadku LT PEM (większa tolerancja dla zabrudzeń paliwa), 3) Prostsza architektura systemu ogniwa paliwowego (w szczególności brak potrzeby nawilżania gazów reakcyjnych), 4) Możliwość wykorzystania tańszych katalizatorów. HT PEM posiada następujące wady: 1) Długi rozruch (ok. 15 minut) i długi czas zatrzymywania, ) Duża cena, 3) Mniejsza dojrzałość technologiczna niż w przypadku LT PEM (brak komercyjnych rozwiązań przenośnych). Technologia HT PEM wydaje się być obiecującą, ze względu na przedstawione wyżej cechy, w szczególności do rozwiązań stacjonarnych, np. APU. Na chwilę obecną brak jest w tej chwili dojrzałych rozwiązań komercyjnych. Ogniwa DMFC W ogniwie paliwowym zasilanym bezpośrednio metanolem DMFC metanol (CH 3 OH) nie jest reformowany, lecz dostarczany bezpośrednio do ogniwa. Ogniwa DM są to zmodyfikowane ogniwa polimerowe. Aktualnie ogniwa zasilane bezpośrednio metanolem mogą produkować ograniczone moce (zazwyczaj od kilku do kilkudziesięciu watów). Rolę elektrolitu w ogniwie DM pełni spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci membrany pokrytej porowatą platyną (podobnie jak w przypadku ogniw PEM platyna jest katalizatorem). Anoda, oprócz platyny pokryta jest również rutenem (dodatkowy katalizator). Zadaniem platyny i rutenu jest chemisorpcja metanolu i wody oraz elektrochemiczne pozbawienie ich elektronów. Platyna rozkłada metanol, a ruten cząsteczkę wody. Zasadę działania ogniwa DM można opisać w następujących fazach: 1) absorpcja 1½ cząsteczki tlenu na katodzie oraz cząsteczki metanolu i wody na anodzie, ) jonizacja 3 atomów tlenu na katodzie i rozkład CH 3 OH i H O na anodzie, 3) migracja 6 protonów przez elektrolit oraz jonów O i CO + wzdłuż anody, 4) rekombinacja jonów do 3 cząsteczek wody na katodzie i cząsteczki CO na anodzie (rys.). W tym ogniwie paliwowym zachodzące następujące reakcje elektrochemiczne: 1) po stronie katody: 1,5O + 6H + + 6e - 3H O ) po stronie anody: CH 3 OH + H O CO + 6H + + 6e - 3) całościowa reakcja: CH 3 OH + 1,5O CO + H O Rys.. ogniwa paliwowego DMFC Źródło: wikipedia Architektura DMFC jest podobna do PEMFC. Różnica wynika z tego, iż w DMFC nie ma układu nawilżania. Ogólnie rzecz ujmując, ogniwo zasilane bezpośrednio metanolem pracuje w temperaturze C. Teoretycznie z 1 litra metanolu można uzyskać 5 kwh energii elektrycznej, ponieważ jednak ogniwa te mają na razie sprawność ok. 0-34%, więc zazwyczaj uzyskuje się ok. 1,7kWh/litr. Metanol zasilający ogniwo DM jest zazwyczaj mieszany z wodą potrzebną do transportu protonów przez membranę. Zużycie wody jest uzależnione od temperatury otoczenia (przy temperaturze otoczenia bliskiej 50 C należy użyć paliwa z większą zawartością wody). Nadmiar wody jest przechowywany w zbiorniku, z którego jest ona okresowo usuwana. Metanol o wysokiej czystości (z zawartością wody uzależnioną od temperatury otoczenia) magazynowany w postaci ciekłej. Ogniwo paliwowe DM posiada następujące zalety: 1) Szybki rozruch ok. 1 minuty, ) Duża dojrzałość technologiczna (istnieją zarówno rozwiązania wojskowe, jak i cywilne), Logistyka 6/

6 3) dogodne do przechowywania i przewożenia, ale toksyczne. Technologia DMFC charakteryzuje się następującymi negatywnymi właściwościami: 1) Rozruch przy temperaturze otoczenia większej od C, ) Praca przy orientacji urządzenia względem pozycji pionowej nie większej niż 95, 3) Brak możliwości pracy przy braku dostępu do tlenu. Ogniwa paliwowe DM są aktualnie testowane w warunkach bojowych i ulepszane, w szczególności przez Armię Stanów Zjednoczonych. Ogniwa AFC W ogniwach AFC elektrolitem jest tkanina azbestowa nasączona stężonym 85% roztworem wodorotlenku potasu KOH, przy temperaturze pracy 50 C lub 35-50% roztworem KOH przy 10 C. Ogniwo pracuje pod ciśnieniem 4-5,5 MPa. Katalizatorem jest nikiel, srebro, tlenki metali lub metale szlachetne. Anodę stanowi siatka lub porowaty nikiel z maksymalną średnicą porów 16 µm po stronie elektrolitu i 30 µm po stronie gazu, natomiast katodą jest porowaty litowy tlenek niklu z srebrem. Paliwem w ogniwach alkalicznych jest wodór. Działanie ogniwa AFC można przedstawić w następujących fazach: 1. absorpcja i jonizacja cząsteczki tlenu na katodzie i dwóch cząsteczek wodoru na anodzie,. absorpcja i jonizacja dwóch cząsteczek wody na katodzie oraz jonizacja czterech atomów wodoru do protonów i elektronów na anodzie, 3. migracja czterech jonów OH - przez elektrolit od katody do anody, 4. rekombinacja czterech protonów i czterech jonów OH - do czterech cząsteczek wody i jej wydalenie na anodzie (rys. 3). W ogniwie AFC zachodzą następujące reakcje elektrochemiczne: 1) po stronie katody: H ) po stronie anody: + OH HO+ e O 4 + H O+ 4e OH Rys. 3. ogniwa alkalicznego: wodór (1), przepływ elektronów (), obciążenie elektryczne (3), tlen (4), katoda (5), elektrolit (6), anoda (7), woda (8), jony wodorotlenku (9) Źródło: wikipedia Na rysunku 4 pokazano budowę systemu AFC w porównaniu do PEMFC. Rys. 4. Porównanie budowy systemu ogniwa paliwowego AFC w porównaniu do PEMFC Źródło: Istnieją dwie zasadnicze różnice w budowie: 1) w systemie AFC w układzie zasilania tlenem zamiast nawilżacza znajduje się filtr CO (wynika to z 45 Logistyka 6/013

7 tego, iż ogniwo alkaliczne jest wrażliwe na dwutlenek węgla), ) w systemie AFC w miejsce pompy wodoru (system PEMFC) wstawiona jest pompa elektrolitu KOH. Wodór może być podawany w formie metanolu, etanolu, itp. magazynowany w postaci ciekłej lub gazowej. Ogniwo paliwowe AFC posiada następujące zalety: 1) Potencjalnie posiada większą sprawność niż inne ogniwa (nawet do 70%), ) Można zastosować szerokie spektrum paliw: metanol, etanol, itp., 3) Potencjalnie mniejszy koszt (można uniknąć stosowania platyny). Technologia AFC posiada następujące wady: 1) Elektrolit wodorotlenek potasu jest substancją silnie korozyjną. Technologia AFC jest testowana od lat 60-tych XX wieku (statki kosmiczne Apollo). Istnieją próby realizacji wojskowych rozwiązań o mocy rzędu 1-3 kw. Potencjalne wykorzystanie jako urządzenie APU jako źródło energii dla układów ładowania akumulatorów przenoszonych przez pojedynczego żołnierza. Ogniwa SOFC Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem, tzn. z zestalonym elektrolitem tlenkowym SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell) pracuje w najwyższym spośród innych ogniw zakresie temperatur ok C. Ciepło uzyskiwane przy pracy tego ogniwa może być wykorzystane w kogeneracji. W ogniwie SOFC rolę elektrolitu pełni zazwyczaj tlenek cyrkonu ZrO domieszkowany tlenkiem itru Y O 3 (rys..4). Związek ten w temperaturze powyżej 800 C zaczyna przewodzić prąd elektryczny poprzez mechanizm transportu wolnych anionów tlenkowych O -. Ponadto dobrze izoluje przepływ ładunku powstałego pomiędzy elektrodami bezpośrednio przez elektrolit. Anodę najczęściej stanowi porowaty cermet niklowy Ni-YSZ lub kobaltowy Co-YSZ. W rozwiązaniu tym nikiel jest katalizatorem reakcji utleniania wodoru, natomiast YSZ pozwala dostosować rozszerzalność termiczną anody oraz zapewnia transport jonów tlenowych. Katodę w najczęściej spotykanych rozwiązaniach stanowi perowskit (La,Sr)MnO3. Paliwem w tych ogniwach może być CO, H i węglowodory, np. CH 4. Pracę ogniwa SOFC można przedstawić w następujących fazach (rys. 5): 1) absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie oraz cząsteczek wodoru na anodzie, ) jonizacja atomów tlenu na katodzie oraz jonizacja 4 atomów wodoru do 4 protonów na anodzie, 3) migracja anionów tlenu przez elektrolit od katody do anody, 4) rekombinacja na anodzie anionów tlenu i 4 protonów do cząsteczek wody i jej wydalenie. Rys. 5. ogniwa paliwowegoze stałym tlenkiem Źródło: wikipedia Reakcje zachodzące w tym ogniwie mają następującą postać: 1) po stronie katody: O + 4e O ) po stronie anody: H + O H O + 4e System składa się z: 1) podgrzewacza powietrza wlotowego, ) przedreformatora, 3) układu spalania nadmiaru paliwa, 4) wodnego wymiennika ciepła, 5) przekształtnika energoelektronicznego, 6) układu monitorowania i sterowania. System jest uproszczony z uwagi na wewnętrzny reforming wodoru. Wodór może być podawany do ogniwa SOFC w formie czystej lub w postaci związku np. propanu, butanu, itp. Logistyka 6/

8 Ogniwo paliwowe SOFC posiada następujące zalety: 1) Nie zawierają cieczy, ) Wewnętrzny reforming (dzięki wysokiej temperaturze), 3) Możliwość wykorzystania do dostarczenia paliwa komercjalnie dostępnego gazu, np. LPG. Technologia SOFC posiada następujące wady: 1) Duże naprężenia mechaniczne i problemy z uszczelnieniem (wysoka temperatura pracy), ) Mniejsza sprawność ogniwa (duża oporność elektrolitu) 3) Długi czas rozruchu i zatrzymywania (ok. 30 minut). Ze względu na wysoką temperaturę pracy wydaje się, iż mało realna jest realizacja rozwiązania przenośnego. Istnieją natomiast rozwiązania militarne ogniw SOPFC w zakresie APU, co ma istotne znaczenie, ze względu na to, iż do zasilania tego typu ogniw można stosować popularne paliwa, np. LPG. Podsumowanie Podsumowując, można zauważyć dwa zasadnicze zastosowania ogniw paliwowych w zasilaniu pojedynczego żołnierza (lub zespołu żołnierzy, gdzie pod pojęciem zespołu będzie rozumiana drużyna, rzadziej pluton) działających w rejonie oddalonym od bazy: 1) ogniwo paliwowe noszone przez żołnierza, przeznaczone dla potrzeb własnych (zasilania noszonych odbiorników energii elektrycznej), o mocy średniej 0W, współpracujące z akumulatorem lub superkondensatorem jako buforem pomiędzy ogniwem a obciążeniem, ) ogniwo paliwowe przenoszone lub przewożone przez zespół żołnierzy dla potrzeb całego zespołu, w szczególności ładowania akumulatorów wykorzystywanych przez pojedynczych żołnierzy, o mocy W (średnio 300W), mogące współpracować z źródłami energii odnawialnej. W zakresie pierwszego obszaru zastosowań proponuje się przetestować działanie ogniw typu LT PEM (sprawdzona technologia, szereg dostępnych rozwiązań komercyjnych) oraz DM (łatwy sposób magazynowania wodoru, kilka udoskonalanych rozwiązań militarnych). Z powodu ww. problemów z zarządzaniem wodą w ogniwie paliwowym należy mieć na uwadze, iż systemy zasilania noszone przez żołnierza będą wymagały określonych warunków do działania: zakres temperatur, położenie systemu w przestrzeni, itp. Na pewno tego typu systemu są w stanie działać w polowych, ale stacjonarnych warunkach. Natomiast w zakresie drugiego obszaru zastosowań proponuje się przetestować działanie ogniw typu PEM (LT i HT), SOFC i/lub AFC. W tym zakresie istnieje kilka różnych rozwiązań technicznych, nawet już testowanych w warunkach polowych. Na zakończenie warto podkreślić, iż ewentualna akceptacja technologii ogniw paliwowych na współczesnym polu walki będzie przede wszystkim uzależniona od tego, czy paliwo wodór w postaci czystej lub związku chemicznego będzie mogło być łatwo transportowane i/lub wytwarzane. Podziękowania Przedstawiona w artykule analiza została przeprowadzona w ramach projektu rozwojowego "Hybrydowe źródło zasilania elektrycznego urządzeń wspomagających akcje ratownicze i ewakuację, realizowanego w latach ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Streszczenie Ostatnie operacje sił NATO pokazały wzrastającą rolę sensorów i urządzeń elektronicznych wykorzystywanych przez żołnierza na współczesnym polu walki. Z wykorzystaniem większej liczby urządzeń związany jest problem zwiększenia wymaganej pojemności źródeł energii elektrycznej przenoszonych przez żołnierza. Zazwyczaj problem ten jest rozwiązywane przy zastosowaniu różnego rodzaju baterii i akumulatorów. Obiecującą technologią w tej dziedzinie są ogniwa paliwowe. Niniejszy artykuł zawiera analizę zastosowania różnych typów ogniw paliwowych dla potrzeb zasilania pojedynczego żołnierza. Abstract Recent ATO operations have demonstrated increasing role of sensors and electronic devices used by a soldier on the modern battlefield. Using more devices is connected with the problem of increasing required capacity of electric energy sources carried by the soldier. Typically, this problem is solved by using different types of batteries and accumulators. Promising technology in this field are fuel cells. This article includes analysis of using the various types of 454 Logistyka 6/013

9 fuel cells for the purpose of power supply of dismounted soldier. Literatura 1. Atwater et al., Applications for the dismounted soldier, Journal of Power Sources, 000, Nr 91, str Godula-Jopek A, Jehle W., Wellnitz J., Hydrogen Storage Technologies: ew Materials, Transport, and Infrastructure, Willey, Office of Naval Research, Manufacturing Fuel Cell Manhattan Project, ACI Technologies, Inc., Science and Technology Organization NATO, Report of SET-173 Task Group, U.S. Department of Energy, Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program: Fuel Cell Technologies Office Multi-Year Research, DOE Hydrogen Program, 011, internet. Logistyka 6/