UK ADY PRZEKSZTA TNIKOWE W APLIKACJACH TRANSPORTOWYCH WYKORZYSTUJ CYCH OGNIWA PALIWOWE

Transkrypt

1 P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 12 Transport 214 Tomasz Dzik Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu UKADY PRZEKSZTATNIKOWE W APLIKACJACH TRANSPORTOWYCH WYKORZYSTUJCYCH OGNIWA PALIWOWE Rkopis dostarczono: padziernik 213 Streszczenie: Referat zawiera przegld ogniw paliwowych z opisem ich dziaania i wasnoci. Przedstawione zostay ukady przeksztatnikowe wspópracujce z ogniwami paliwowymi umoliwiajce zastosowanie ich w aplikacjach transportowych. Przeanalizowane zostay róne rozwizania topologiczne ukadów przetwarzajcych energi elektryczn wytworzon w ogniwach paliwowych od tych najprostszych bez izolacji galwanicznej po te zoone bazujce na zjawisku rezonansu. W opisie tych rozwiza zwrócono uwag na cz elektroenergetyczn, cz sterowania oraz nadzoru. Sowa kluczowe: energoelektronika, ogniwa paliwowe, przetwornice DC/DC 1. WSTP W ostatnich latach widoczny jest wzrost wymaga dotyczcych konstrukcji ukadów zasilania w aplikacjach transportowych. Dotyczy to zarówno urzdze energoelektronicznych jak i róde energii. Do tej pory najpowszechniej stosowane baterie chemiczne zastpuje si nowoczesnymi technologiami takimi jak ogniwa paliwowe. Wynika to z podnoszenia komfortu obsugi i bezpieczestwa pracy urzdze. Zastosowanie tego typu ukadów w aplikacjach transportowych np.: w pojazdach elektrycznych determinuje ograniczenia, co do rozmiaru, sposobu odprowadzania ciepa, doboru ochrony oraz odpornoci na wstrzsy. Ogniwa paliwowe w aplikacjach transportowych wymagaj zastosowania przetwornic energoelektronicznych o wysokich sprawnociach elektrycznych, wysokiej odpornoci mechanicznej i specyficznego sterowania. Niskie napicia w tych zastosowaniach przekadaj si na wysokie prdy, a co za tym idzie znaczce straty na elementach toru gównego zasilania elektrycznego. Wymusza to odpowiedni dobór topologii ukadu przetwarzajcego, jego elementów i metod sterowania, co ma kluczowe znaczenie dla wymaganego efektu kocowego. W artykule zostay opisane ogniwa paliwowe ze szczególnym uwzgldnieniem ogniw z membran wymiany protonów PEM oraz ich podstawowe zalety i ograniczenia.

2 6 Tomasz Dzik Zostay równie przedstawione zarówno te najprostsze ukady przetwarzajce jak i te wykorzystujce zoone topologie i wyrafinowane sterowanie. Trafno wyboru odpowiednich rozwiza ukadów energoelektronicznych zostanie potwierdzona wybranymi wynikami przeprowadzonych przez autora bada symulacyjnych i laboratoryjnych. 2. OGNIWA PALIWOWE Urzdzeniem zamieniajcym bezporednio paliwo wodorowe na energi elektryczn jest ogniwo paliwowe. Odkryte ju w XIX wieku przez brytyjskiego naukowca Williama Grove a dopiero w latach 5 ubiegego wieku znalazy zastosowanie jako idealne ródo zasilania w projektowanych przez agencj kosmiczn NASA pojazdach kosmicznych. Ogniwo paliwowe typu PEM zasilane jest wodorem, a tlen potrzebny do reakcji chemicznej pobieranym jest z powietrza atmosferycznego. Wodór trafia na anod gdzie nastpuje jego katalityczne rozbicie. Katalizator wyrywa z gazu elektrony a dodatnio naadowane jony przejmuje membrana polimerowa. Obojtny elektrycznie tlen doprowadzany do katody przechwytuje swobodne elektrony powodujc przepyw prdu staego. Ujemnie naadowane jony tlenu reaguj w membranie z protonami i wytwarzana jest czsteczka wody. Reakcje te s egzotermiczne, wic jedynymi produktami ubocznymi w procesie wytwarzania prdu s czysta woda i ciepo. Zasad dziaania ogniwa paliwowego przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Zasada dziaania ogniwa paliwowego [6] Zasadnicz przewag ogniw paliwowych w stosunku do tradycyjnych sposobów wytwarzania energii elektrycznej jest cakowity brak toksycznych odpadów i spalin. Jeeli

3 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 7 potraktujemy ogniwo paliwowe jak czarn skrzynk do z jednej strony doprowadzamy paliwo wodorowe i powietrze, z drugiej otrzymujemy czyst wod nadajc si do uytku i ciepo (rysunek 1). Gównym ródem paliwa jest wodór, którego zastosowanie jest tanie i najbardziej ekologiczne. Wodór przechowywany jest obecnie w butlach lub zbiornikach pod wysokim cinieniem i poprzez reduktory dostarczany do ogniwa. Najnowsze technologie bezpiecznego przechowywania wodoru polegaj na uwizieniu czsteczek gazu w specjalnym pojemniku wypenionym wodorkami metalu. Stae wodorki metalu s w stanie zgromadzi nawet do 33 Wh/l energii. Dla porównania klasyczny akumulator oowiowo-kwasowy osiga gsto energii rzdu 8 Wh/l. Przez zastosowanie odpowiedniego przemiennika chemicznego zwanego reformerem ogniwo paliwowe moe by zasilane np.: gazem ziemnym lub metanolem. Tabela 1 zawiera zestawienie rónego rodzaju ogniw paliwowych. Porównanie rónych typów ogniw paliwowych [15] Tabela 1 Z membran Typ ogniwa Zestalone tlenki Stopione wglany Kwasowy Zasadowy wymiany paliwowego protonów Elektrolit Ceramika Stopiona sól H 3 PO 4 KOH Polimer Temperatura pracy 1 C 65 C 19 C 8 12 C 8 14 C Paliwo Wodór Wodór Wodór Wodór Tlenek wgiel Produkty Produkty Wodór Produkty Produkty reformowania reformowania reformowania reformowania Reformowanie Zewntrzne, Zewntrzne, wewntrzne wewntrzne Zewntrzne Zewntrzne Sprawno > 6% > 6% 4 5 % 4 5 % 4 5 % Zakres mocy > 1MW > 1MW 2kW 1W 1W do 1MW do 2kW do 1MW Z zestawionych w tabeli 1 parametrów ogniw paliwowych mona zauway, e ogniwa paliwowe mona podzieli na trzy grupy: ogniwo paliwowe niskotemperaturowe mae moce ogniwo redniotemperaturowe rednie i due moce ogniwo wysokotemperaturowe raczej wysokie moce np. znacznie wiksze ni 1MW. Dodatkowo mona zauway, e wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe mog by zasilane wodorem lub innego rodzaju gazami pochodzenia organicznego np.: metanolem, metanem, gazem ziemnym itp. Czyni to je szczególnie przydatnymi do zastosowa przemysowych. Dodatkowo wysoka temperatura pracy ogniw wysokotemperaturowych powoduje, e mog one pracowa w ukadach hybrydowych (ogniwo i dodatkowo turbina wraz z generatorem) uzyskujc przy produkcji energii elektrycznej sprawnoci przekraczajce 7%. Jeli wysokotemperaturowe ogniwo uy w ukadzie skojarzonym to sprawno energetyczna przekracza 8%. Pozwala to na realizacj ukadów energetyki rozproszonej, w których odbiorniki mog by zasilane energi ciepln i energi elektryczn. Dla zastosowa transportowych najwiksze zastosowanie bd miay ogniwa

4 8 Tomasz Dzik paliwowe niskotemperaturowe i redniotemperaturowe. Zastosowania ogniw paliwowych dzieli si z reguy na transportowe (komunikacyjne), przenone i stacjonarne. Rysunek 2 przedstawia typowe zakresy mocy dla poszczególnych zastosowa i poszczególnych typów ogniw paliwowych. Rys. 2. Zestawienie zakresów mocy ogniw paliwowych dla poszczególnych typów i zastosowa [15] Due zainteresowanie ogniwami paliwowymi przejawia przemys motoryzacyjny, a jest to spowodowane gównie dwoma czynnikami: deniem do zwikszania sprawnoci napdu pojazdu, a silniki elektryczne wykazuj najwysze sprawnoci; wymuszanym przez ekologi ograniczaniem emisji zanieczyszcze do rodowiska naturalnego, w którym yjemy. Powszechnie znane jest stanowisko specjalistów renomowanego amerykaskiego Instytutu Energetyki EPRI (Electric Power Research Institute), którzy twierdz, e nie ma drugiej, równie czystej technologii jak ogniwa paliwowe. W zasadzie jest to "czarna skrzynka", do której z jednej strony doprowadza si paliwo, a z drugiej uzyskuje prd elektryczny - przy wysokim wspóczynniku sprawnoci wykorzystania paliwa i pomijalnej emisji zanieczyszcze. Jako paliwo najprociej jest wykorzystywa wodór, ale ze wzgldów charakter tego gazu i powszechnego lku przed jego wybuchem mona uywa gazu ziemnego, którego gównym skadnikiem (okoo 9%) jest metan CH 4, za najbezpieczniej - metanolu CH 3 OH. Rysunek 3 przedstawia przykadowe porównania sprawnoci energetycznej rónych przetworników energii. Porównanie to wypada na korzy ogniwa paliwowego. Ma ono najwysz sprawno i najwikszy zakres uzyskiwanych mocy.

5 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 9 Rys. 3. Porównanie sprawnoci rónych przetworników energii [11] Wysoka sprawno ogniw paliwowych wynika z bezporedniej przemiany energii chemicznej paliwa na energi elektryczn bez udziau dodatkowych przemian porednich i ogranicze wynikajcych z cyklu Carnota. 3. PRZETWORNICE DC/DC W UKADACH Z OGNIWAMI PALIWOWYMI Wykorzystanie ogniw paliwowych w zastosowaniach transportowych wymaga zastosowania ukadów przetwarzajcych. Napiciem wyjciowym z ogniwa paliwowego jest napicie stae zmieniajce sw warto w funkcji obcienia. Ponadto ogniwo paliwowe jest ródem nie przecialnym i z dodatkowo zabronionymi obszarami pracy. Poprzez zastosowanie szeregu energoelektronicznych urzdze przetwarzajcych, moliwa jest budowa ukadu zasilania z ogniwem paliwowym realizujcego nastpujce cele: prac ze stabilizowanym staym napiciem wyjciowym, prac ze stabilizowanym zmiennym napiciem wyjciowym, Poprzez poczenie ogniwa paliwowego z magazynem energii elektrycznej uzyskuje si moliwo chwilowego przecienia ogniwa lub magazynowania nadwyek energii. Rysunek 4 przedstawia charakterystyk prdowo-napiciow dowolnego ogniwa paliwowego. [1, 6, 7, 1]

6 1 Tomasz Dzik Rys. 4. Charakterystyka prdowo-napiciowa ogniwa paliwowego [1] Na charakterystyce tej naniesiono obszary pracy dozwolonej i obszary pracy zabronionej ze wzgldu na moliwo uszkodzenia ogniwa. Z przedstawionej na rysunku 4 charakterystyki wynika, e samo ogniwo nie jest w stanie zasila odbiorniki prdu staego stabilizowanym napiciem. Nie moe take ono bezporednio zasila odbiorników prdu zmiennego pracujc w ukadzie autonomicznym. Ponadto do sterowania caego systemu zasilania z ogniwem paliwowym potrzeba jest wiele galwanicznie izolowanych napi, których nie mona bez przetwarzania bezporednio uzyska z wyjcia ogniwa paliwowego. Rozwizanie tych problemów jest moliwe przez zastosowanie odpowiednich ukadów energoelektronicznych. Rysunek 5 przedstawia schemat najprostszego ukadu energoelektronicznego, który umoliwia bezporednio (bez galwanicznej izolacji) zasilanie odbiorników prdu staego stabilizowanym napiciem. [7, 8] IL L1 D1 Isp Uwe STEROWANIE C2 V1.. Uwy Usp Zaproponowany ukad zapewnia: Rys. 5. Schemat przetwornicy podwyszajcej

7 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 11 stabilizowanie napicia zasilajcego odbiorniki prdu staego, ochron ogniwa paliwowego przed prac w obszarze zabronionym. Charakterystyki prdowo - napiciowe ukadu ogniwo paliwowe przetwornica podnoszca napicie przedstawia rysunek 6. Rys. 6. Charakterystyki prdowo - napiciowe ukadu ogniwo paliwowe przetwornica podnoszca napicie Przetwornic podnoszc napicie, której schemat przedstawia rysunek 5 mona atwo przeksztaci w ukad, którego schemat przedstawia rysunek 7. Ogniwa paliwowe DC DC I B I1 B1 Odbiory 1 W1 I2 B2 Odbiory 2 Baterie chemiczne lub Superkondensatory In Bn Odbiory n Rys. 7. Ukad wspópracy ogniwa paliwowego i przetwornicy DC/DC z dodatkowym magazynem energii elektrycznej [4, 5] W ukadzie, którego schemat przedstawiono na rysunku 7 poczono ogniwo paliwowe z dodatkowym ródem energii [7, 8]. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki bada dla ukadu schemat z rysunku 6 w czasie przecienia o wartoci kilku I N, a nawet zwarcia odbiornika ukadu.

8 12 Tomasz Dzik Rys. 8. Dziaanie ukadu ogniwa paliwowego i przetwornicy DC/DC z dodatkowym magazynem energii elektrycznej w przypadku przecienia [5, 11] Z przedstawionych przebiegów czasowych prdu wynika, e uzyskanie duej wartoci prdu przecieniowego byo moliwe czciowo z ogniwa, czciowo z dodatkowo doczonego akumulatora. Jednoczenie wystpujcy w tym przypadku prd z ogniwa nie przekracza wartoci dopuszczalnej [7, 8]. Prezentowane w artykule wyniki bada eksperymentalnych dotycz ukadu zasilania z ogniwami paliowymi typu PEM o mocy 2,4 kw, napiciu w przedziale 26 5V i prdzie 92 A, dopasowanej przetwornicy stabilizujcej napicie na poziomie 48V i mocy znamionowej 5kW oraz baterii chemicznej 12 Ah. Rysunek 9 przedstawia dalsz przeksztacon wersj ukadu przetwornicy DC/DC bez galwanicznej izolacji schemat 5.

9 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 13 Rys. 9. Ukad równolegej pracy ogniw paliwowych z przetwornic DC/DC bez galwanicznej izolacji [7] Przyjte rozwizanie umoliwia: poczenia równolege dowolnej liczby ogniw z moliwoci sterowania iloci energii pobieranej z kadego ogniwa, zwikszenie niezawodnoci pracy caego systemu zasilania ze wzgldu na poczenie równolege kilku takich samych bloków podstawowych, ochrona kadego z równolegle poczonych ogniw paliwowych przed przepywem prdów zwrotnych. W rónych ukadach zasilania prdem staym zachodzi czsto potrzeba zasilania obwodów o rónym napiciu i galwanicznej izolacji midzy nimi. Dla zrealizowania tego typu wymaga przeanalizowano trzy moliwoci rozwiza. Rysunek 1 przedstawia schemat najprostszego rozwizania, w którym do realizacji celu uyto pómostkowej transformatorowej przetwornicy DC/DC.

10 14 Tomasz Dzik V1 C1 Uwe STEROWANIE V2 C2 I T1 PROSTOWNIK U ODBIORNIKI Rys. 1. Schemat przetwornicy pómostkowej z izolacj galwaniczn [7] Rysunek 11 przedstawia przykadowe przebiegi prdów i napi w ukadzie. Przebiegi: 1 napicie wyjciowe transformatora T1 2 prd wyjciowy uzwojenia Z4 transformatora T1 Rys. 11. Przykadowe przebiegi prdów i napi w ukadzie przetwornicy pómostkowej z izolacj galwaniczn [7, 14] Zaproponowane rozwizanie posiada nastpujce zalety: prosta budowa - mona wykorzysta specjalizowany scalony ukad sterujcy np.: SG 3525 lub inny podobny, dobre parametry statyczne i regulacyjne np.: U wy = U wyn +1%. oraz wady: niska czstotliwo pracy ze wzgldu na twarde wyczenie czników tranzystorowych. Czstotliwo ta w zalenoci od uytych tranzystorów i mocy przetwarzanej nie przekracza pasma w przedziale 2 5kHz twardo wyczane czniki przetwornicy DC/DC powoduj zwikszon generacj zakóce EMI [5] np.: w stosunku do przetwornic rezonansowych

11 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 15 niska czstotliwo pracy przetwornicy powoduje, e wymiary elementów magnetycznych s znacznie wiksze ni w ukadach przetwornic rezonansowych. Rysunki 12 przedstawia przykadowy schemat przetwornicy rezonansowej DC/DC zbudowanej i zbadanej przez autora. V1 C1 Uwe STEROWANIE V2 C2 I Lr1 T1 D1 D2 C3 D3 L1 C4 U ODBIORNIKI Rys. 12. Przykadowy schemat przetwornicy rezonansowej DC/DC [7] Przetwornica, której schemat przedstawia rysunek 12 umoliwia samodzieln regulacj i stabilizacj napicia wyjciowego. Zasad dziaania przetwornicy wyjania rysunek 13, na którym przedstawiono przebiegi prdów i napi w rzeczywistym ukadzie napicie na dolnym tranzystorze przetwornicy 2 - napicie wyjciowe przetwornicy 3 - napicie uzwojenia pierwotnego 4 - prd strony pierwotnej transformatora (5A / dziak) Rys. 13. Przykadowe przebiegi prdów i napi w ukadzie przy penym wysterowaniu [7] Rysunek 14 przedstawia schemat ukadu przetwarzajcego napicie, w którym do ukadu przetwornicy beztransformatorowej doczono ukad przetwornicy rezonansowej ze staym wysterowaniem [7, 9].

12 16 Tomasz Dzik L1 D1 U V1 Uwe STEROWANIE V3 D2 C3 R1 C4 STEROWANIE V2 C1 C2 Obwód rezonansowy L2 I C5 Cr5 T1 PROSTOWNIK U ODBIORNIKI Rys. 14. Przykadowy schemat przetwornicy podwyszajcej poczonej z przetwornic rezonansow o staym wypenieniu [7] Zasad dziaania tej przetwornicy wyjania rysunek 15, na którym przedstawiono przebiegi prdu i napicia w ukadzie napicie na tranzystorze przetwornicy pómostkowej 2 - prd tranzystora 3 napicie uzwojenia wtórnego transformatora dla obcienia rezystancyjnego 4 - prd uzwojenia pierwotnego (5A / dziak) Rys. 15. Przykadowe przebiegi prdów i napi w ukadzie z rysunku 13 [7] Ukad sterowania przetwornicy utrzymuje jej prace cay czas w rezonansie niezalenie od obcienia. Napicie wyjciowe caego urzdzenia jest stabilizowane przez pierwszy czon caego ukadu, czyli przez przetwornic beztransformatorow. Do zalet przetwornic rezonansowych wspópracujcych z ogniwami paliwowymi nale: mniejsze wymiary w stosunku do ukadów przetwornic z twardym wyczeniem, mniejszy poziom zakóce EMI [6], wiksz sprawno energetyczn w stosunku do ukadów z twardym wyczeniem. Jest ona wiksza okoo 3 7% w zalenoci od wartoci napicia zasilania i mocy przetwornicy [3, 12], porównywalne parametry regulacyjne do ukadów z twardym przeczeniem [3].

13 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 17 Do wad nale bez wtpienia znacznie bardziej skomplikowane ukady sterowania. Wada ta jednak w dobie powszechnego stosowania ukadów mikroprocesorowych jest atwiejsza do zniwelowania. 4. ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA UKADÓW POMOCNICZYCH W SYSTEMIE ZASILANIA Z OGNIWEM PALIWOWYM Podzespoy zasilania w paliwo ogniwa paliwowego, energoelektroniczne ukady przetwarzania energii, cay system sterowania i nadzoru oraz wszystkie pokadowe systemy wspomagajce w pojedzie wymagaj zasilania pomocniczego. Przez analogie do duych systemów wytwórczych ukad zasilania wszystkich podzespoów nazwano systemem zasilania potrzeb wasnych. Rysunek 16 przedstawia schemat blokowy caego systemu zasilania potrzeb wasnych systemu z ogniwem paliwowym. Rys. 16. Schemat blokowy systemu zasilania potrzeb wasnych systemu z ogniwem paliwowym [7] Analizujc schemat ukadu przedstawiony na rysunku 16 mona zauway jak wiele pomocniczych napi wzajemnie izolowanych mona uzyska, aby zasili wszystkie podzespoy w pojedzie. Rysunek 17 wyjania ide dziaania zasilacza ukadu potrzeb wasnych. Rys. 17. Idea dziaania zasilacza ukadu potrzeb wasnych [7]

14 18 Tomasz Dzik Idea dziaania zasilacza potrzeb wasnych polega na skokowym podwyszaniu napicia wyjciowego w przypadku osignicia minimalnej jej wartoci. Spadek napicia wyjciowego spowodowany jest wzrostem obcienia ukadu w wyniku zaczania do pracy kolejnych odbiorów potrzeb wasnych. Do sterowania caego systemu zasilania z ogniwem paliwowym najczciej uywany jest mikroprocesorowy system starowania. Do kluczowych aspektów naley zapewnienie moliwoci zdalnego zadawania, pomiaru i kontroli parametrów pracy przetwornicy DC/DC. Do tego celu suy ukad regulatora nadrzdnego dla przetwornicy wspópracujcej z ogniwem paliwowym. Schemat blokowy takiego regulatora przedstawia rysunek 18. Rys. 18. Ukad regulatora nadrzdnego dla przetwornicy wspópracujcej z ogniwem paliwowym [7] Do sterowania i nadzoru suy mikroprocesor wraz z dodatkowymi ukadami sprzgajcymi i separujcymi od przetwornicy. Poniewa ukad bazuje na rozwizaniach ju zaimplementowanych w przetwornicy, takich jak ograniczenie prdowe, moliwe stao si uycie procesora ogólnego przeznaczenia, gdy czas jego reakcji nie jest kluczowy dla dziaania ukadu. Zarówno aktualnie zmierzona warto napicia, jak i parametry ukadu s dostpne dla zewntrznego systemu poprzez cze RS232/485 i protokó Modbus. Ukad taki zapewnia: Zadawanie wymaganego napicia wyjciowego przetwornicy oraz poziomu ograniczenia prdowego; Moliwo zdalnego wczenia/wyczenia przetwornicy; Utrzymanie zadanych wartoci przy zmianach obcienia ukadu; Moliwo sprzgnicia przetwornicy z wikszym systemem poprzez zapewnienie monitorowania jej pracy;

15 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 19 Sam sterownik zasilany jest poprzez zasilacz o szerokim zakresie napi wejciowych dobranych tak by wspógray z charakterystyk ogniwa paliwowego (rys. 3) oraz zapewniajcy separacj galwaniczn ukadu. 5. PRZYKAD ZASTOSOWANIA UKADU ZASILANIA Z OGNIWAMI PALIWOWYMI W APLIKACJI TRANSPORTOWEJ Zastosowanie ukadu zasilania z ogniwami paliwowymi na przykadzie samochodu elektrycznego FCX firmy Honda zostao przedstawione na rysunku 19. Rys. 19. Budowa samochodu elektrycznego FCX firmy Honda [18] W samochodzie tym zastosowano dwa zbiorniki wysokocinieniowe (34,4 MPa) wykonane z aluminium oblanego materiaem kompozytowym. czna pojemno zbiorników wynosi 156 litrów, co pozwala na zmagazynowanie 42 Nm 3 (3,75kg) wodoru. Po zatankowaniu do pena zasig samochodu wynosi 43 km. Samochód wyposaony jest w sprark i osuszacz powietrza. Ogniwo paliwowe typu PEM zawiera elektrolityczna membran o mocy 89 kw. Do magazynowania nadmiaru energii z ogniwa oraz energii z hamowania odzyskowego uyto superkondensatory o pojemnoci 9,2 F. Samochód posiada silnik indukcyjny o maksymalnej mocy 8 kw i momencie obrotowym 272 Nm. Maksymalna prdko samochodu wynosi 15 km/h. Konstrukcja ukadu zasilania opartego na ogniwach paliwowych i napdu samochodu zostaa przedstawiona na rysunku 2.

16 2 Tomasz Dzik Rys. 2. Konstrukcja ukadu zasilania i napdu samochodu elektrycznego FCX firmy Honda [18] W pracy samochodu napdzanego ogniwem paliwowym wyróniamy trzy etapy pracy. W etapie pierwszym nastpuje doprowadzenie wodoru ze zbiornika oraz powietrza z turbosprarki do ogniwa paliwowego. W etapie drugim nastpuje przetworzenie energii elektrycznej (prdu staego) z ogniwa paliwowego do silnika indukcyjnego zasilanego prdem przemiennym. W etapie trzecim nastpuje przekazanie momentu obrotowego z silnika elektrycznego na koa samochodu. Moment obrotowy dla samochodu elektrycznego FCX w trakcie ruszania jest stay i wynosi 272 Nm. Dla porównania moment obrotowy dla samochodu z silnikiem spalinowym o podobnej masie wynosi ok. 14 Nm i ronie w trakcie zwikszania obrotów. Wynika z tego, e dua masa nie wpywa na dynamik jazdy samochodu o napdzie elektrycznym. Bezporednie przeoenie momentu obrotowego na koa i stay moment obrotowy regulowany elektronicznie umoliwia uniknicia polizgu w trakcie ruszania na oblodzonej powierzchni. Porównanie charakterystyk obcieniowych samochodu z silnikiem spalinowym i elektrycznym Hondy FCX zostao przedstawione na rysunku 21. Rys. 21. Porównanie charakterystyk obcieniowych samochodu z silnikiem spalinowym i elektrycznym [18]

17 Ukady przeksztatnikowe w aplikacjach transportowych wykorzystujcych ogniwa paliwowe 21 Cakowita sprawno pojazdu elektrycznego napdzanego ogniwem paliwowym zawiera si w przedziale od 31 % do 39%. Mona ja zwikszy poprzez realizacj w samochodach z silnikiem indukcyjnym hamowania odzyskowego, w którym silnik indukcyjny moe peni role prdnicy. Energia hamowania moe by przeksztacona na energi elektryczn i zmagazynowana w baterii superkondensatorów, a nastpnie wykorzystana przy ruszaniu samochodu. Zwiksza to cakowit sprawno ukadu zwaszcza w trakcie dynamicznej jazdy po miecie. 6. PODSUMOWANIE Na podstawie przedstawionych analiz literaturowych i wyników bada wasnych mona z ca pewnoci stwierdzi, e ukady zasilania dla aplikacji transportowych poprawiaj efektywno wykorzystania energii elektrycznej wytworzonej przez ogniwa paliwowe. Przedstawione w referacie wyniki bada ukadów energoelektronicznych i elektronicznych wchodzcych w skad systemów zasilania z ogniwami paliwowymi pozwalaj na stwierdzenie, e s one przygotowane do zastosowania w aplikacjach transportowych. Bibliografia 1. Barbir, Frano.: PEM fuel cells: theory and practice ( , ), 2nd ed., Elsevier, Academic Press, Chmielniak T.: Technologie energetyczne, WNT Citko T. Tunia H., Winiarski B.: Ukady rezonansowe w energoelektronice, Wydawnictwa Politechniki Biaostockiej, 21 r. 4. Dmowski A.: Energoelektroniczne ukady zasilania prdem staym w telekomunikacji i energetyce WNT, Warszawa Dmowski A., Kras B.: Fuel Cell Control System And Power Converters Elektrische Energiewandlugssysteme, Magdeburg, maj 22, Niemcy. 6. Drulis H.: Ogniwa paliwowe Nowe kierunki rozwoju, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocawskiego Dzik T.: Ukady sterowania i nadzoru systemów zasilania potrzeb wasnych elektroenergetyki z ogniwami paliwowymi zasilanymi metanolem praca doktorska PW, Warszawa 28r. 8. Dzik T., Dmowski A.: Ukady elektroniczne i energoelektroniczne w systemach potrzeb wasnych z ogniwami paliwowymi, X Midzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Nowoczesne urzdzenia zasilajce w energetyce, ISBN , Zakopane, , str IEC :.Plugs socket-outlets, vehicle couplers and vehicle intels - Conductive charging of electric vehicles", First Ed Moradewicz J, Kamierkowski Marian P.: "High Efficiency Contactless Energy Transfer System with Power Electronic Resonant Converter", Bulletin ofthe Polish Academy of Sciences, vol. 57, No. 4, 29, pp Kras B.: Ukad hybrydowy ogniwa paliwowego z ogniwem chemicznym do zasilania rozproszonych odbiorników o duej dynamice zmian obcienia praca doktorska PW, Warszawa 24r. 12. Muko J.: Konwertery rezonansowe o mikkiej komutacji, Przegld Elektrotechniczny, nr 4/95, str

18 22 Tomasz Dzik 13. Musznicki P.: Conducted EMI identification in power electronic converters using the Wierne filtering metod praca doktorska PG, Gdask 27r. 14. Ozimek P.: Nowa koncepcja systemu zasilania ukadów potrzeb wasnych w elektroenergetyce praca doktorska PW, Warszawa 26r. 15. Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i ciepa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Steigerwald R.: High-Frequency Resonant Transistor DC-DC Converters, IEEE Trans, on Industrial Electronics, Vol.IE-31, No.2, 1984, pp Tuladhar A.: Advanced control techniques for parallel inverter operation without control interconnections The University of British Columbia, April CONVERTER SYSTEMS IN TRANSPORT APPLICATIONS USING FUEL CELLS Summary: The paper comprises a review of fuel cells with a description of their operations and features. Converter systems have been presented which cooperate with fuel cells enabling their implementation in transport applications. Various topological solutions have been analysed of systems converting electrical energy created in fuel cells starting from the simple ones without galvanic isolation, to the complex ones based on resonance phenomenon. In the description of these solutions, attention has been paid to electrical power part, control and supervision part. Keywords: power electronics, fuel cells, DC/DC converters