Обзор топливной системы «Воин производительности»

Это означает, что у отрасли появился более четкий ответ на ключевой вопрос: «Что такое хорошая система топливных элементов?». Системы топливных элементов отвечают на этот вопрос практическими действиями. Сосредоточившись на двух основных сценариях — автомобилестроении и энергетике, доктор Хоу Цзюньбо возглавил техническую группу, которая оптимизировала проектирование и итерации процесса по ключевым показателям, таким как стабильность системы, надежность, потребление водорода, частота отказов и срок службы, и представила отрасли два превосходных образца: автомобильную двигательную систему и систему генерации электроэнергии на основе водородного накопителя энергии.

В автомобильной отрасли мы завершили разработку серии топливных элементов для двигателей мощностью от 30 до 235 кВт, которые могут широко использоваться во многих транспортных средствах, таких как легковые автомобили, городские автобусы, легкие, средние и тяжелые грузовики, вилочные погрузчики, прицепы, строительная техника и т. д.

Автомобильные двигатели на топливных элементах (70 кВт слева, 235 кВт справа)

Среди них 17 автобусов на водородных топливных элементах, оснащенных бортовыми системами HYPSR-04 мощностью 70 кВт, недавно продемонстрировали впечатляющие эксплуатационные показатели: эти 17 автобусов непрерывно эксплуатируются почти полтора года в уезде Цзяшань города Цзясин провинции Чжэцзян, преодолев в общей сложности 800 000 километров, при этом средний расход водорода составляет 3,7 кг/100 км, что значительно ниже среднего показателя по отрасли (5 кг/100 км), демонстрируя существенные преимущества в содействии энергосбережению и защите окружающей среды в системе общественного транспорта города Цзяшань.

Автобус округа Цзяшань

Помимо стоимости покупки, одним из важнейших экономических показателей автомобиля является расход энергии на 100 километров. Для достижения коммерциализации автомобилей на топливных элементах, помимо постоянного снижения затрат по всем звеньям, крайне важно снизить эксплуатационные расходы автомобиля и уменьшить потребление водорода для повышения топливной экономичности. Эксплуатационные данные о низком потреблении водорода подтверждают его глубокую техническую основу в системе топливных элементов и согласовании мощности автомобиля.

Кроме того, низкий процент отказов является еще одним преимуществом этой партии автобусов в реальных условиях эксплуатации. Система водородных топливных элементов мощностью 70 кВт не только отвечает потребностям ежедневной эксплуатации автобусов, но и обеспечивает стабильную и эффективную выходную мощность при длительной и интенсивной эксплуатации без существенных отказов, что подтверждает ее адаптивность к сложным дорожным условиям и меняющемуся климату.

«Общий пробег составляет 800 000 километров, а средний расход топлива — всего 3,7 кг/100 километров. Бесперебойная работа в различных условиях является лучшим доказательством надежности и практичности нашей технологии водородных топливных элементов, а также демонстрирует огромный потенциал этой технологии. Применение водородных топливных элементов оказывает далеко идущее влияние на город Цзяшань и всю отрасль общественного транспорта, а также служит важным примером для других городов, стремящихся внедрить экологически чистые автобусы».

На ранних этапах разработки новых энергетических транспортных средств всегда возникают вопросы о стабильности и надежности, и автомобили на водородных топливных элементах не являются исключением. Каждая партия автомобилей, выпущенных компаниями, занимающимися топливными элементами, проходит не только рыночные испытания, но и проверяется на предмет доверия местных органов власти и операторов к компаниям, производящим топливные элементы, и даже ко всей отрасли в целом.

Для создания продукции, заслуживающей доверия рынка, и обеспечения стабильности и долговечности автомобильных топливных элементов, компания Liyuan Technology приложила огромные усилия и проявила высокий профессионализм в проектировании архитектуры системы, механизмах диагностики неисправностей и мониторинге рабочего состояния, обеспечив совершенствование каждого звена, используя достижения науки и техники для создания основы качества и сделав безопасность и надежность отличительной чертой своей продукции.

«Мы разработали систему диагностики неисправностей в системе управления двигателем, которая позволяет быстро выявлять основные типы неисправностей, такие как аномальное давление в воздушном контуре, чрезмерная разница давлений водорода и воздуха, аномальное давление водорода, низкое давление в контуре охлаждения, высокая температура охлаждающей жидкости и заклинивание сливного клапана. Мы также создали защитный механизм реагирования на неисправности, которые могут привести к серьезным последствиям, чтобы максимально предотвратить повреждение блока», — отметил доктор Хоу Цзюньбо.

В то же время каждая бортовая система топливных элементов интегрирована с TBOX (см. рисунок ниже), который может в режиме реального времени отслеживать и предупреждать систему управления о некоторых ухудшениях характеристик в течение длительного периода времени, а также имеет соответствующие стратегии восстановления после сбоев. Система загрузки данных в реальном времени на основе TBOX может удаленно отслеживать рабочее состояние системы топливного элемента и осуществлять удаленное устранение неисправностей. Одновременно постоянно расширяющийся набор рабочих данных может использоваться для анализа, изучения и извлечения информации о неисправностях, содержащейся в них, и непрерывного совершенствования механизма интеллектуальной диагностики на основе данных.

Система удаленного мониторинга терминала TBOX

Нет сомнений в том, что благодаря высокой стабильности, низкому потреблению водорода и долговечности топливных элементов, этот «новичок» в области топливных элементов открыл двери на триллионный рынок водородных автомобилей.

Помимо автомобильной промышленности, одним из перспективных направлений применения являются также стационарные системы генерации электроэнергии. По прогнозам GGII, к 2030 году совокупная установленная мощность отечественных систем генерации электроэнергии на основе топливных элементов достигнет 5 ГВт, а прирост рынка систем генерации электроэнергии на основе топливных элементов в период с 2023 по 2030 год превысит 24 миллиарда юаней.

Системы стационарной генерации электроэнергии, ориентированные на четыре ключевых параметра — модульность, интеллектуальность, стабильность и долговечность, а также надежность, — уже вышли на рынок водородных систем хранения энергии.

Номинальная мощность модульного генератора в корпусе составляет 100 кВт, выходное напряжение — 380 В переменного тока; номинальная мощность контейнерного модуля составляет 1 МВт, выходное напряжение — 10 кВ переменного тока.

Модуль генерации электроэнергии шкафного типа (слева), модуль генерации электроэнергии контейнерного типа (справа)

Модуль генерации электроэнергии может работать автономно и поддерживает параллельное расширение нескольких модулей. В сочетании с трансформаторным оборудованием и накопителями энергии он позволяет гибко реализовать развертывание распределенной генерации электроэнергии с эластичной мощностью от 100 кВт до 100 МВт. Он отличается стандартизированным производством, интегрированной транспортировкой и простотой монтажа на месте.

Во-вторых, каждый модуль генерации электроэнергии имеет независимые функции самосогласованного управления, что обеспечивает интеллектуальность всей системы генерации электроэнергии и позволяет достичь цели снижения потребления водорода и уменьшения выбросов.

Модуль контейнерного типа имеет четыре встроенные системы топливных элементов. Контроллер микросети получает внешние команды и посылает управляющие сигналы каждой системе топливных элементов и инвертору. При параллельной работе нескольких модулей рабочие данные каждой системы топливных элементов проникают на уровень модуля и быстро и в режиме реального времени передаются в комплексную интеллектуальную систему управления энергией для обеспечения централизованного планирования на основе облачных технологий, а также удаленного управления и технического обслуживания.

Интеллектуальная система управления энергией позволяет оптимизировать выходную мощность каждого топливного элемента в режиме реального времени на уровне всего блока, повышая среднюю эффективность каждого блока, снижая общее потребление водорода системой и учитывая ограничения, связанные с колебаниями мощности, для замедления снижения производительности блока. На системном уровне система управления энергией обладает функцией самоадаптации режима потребления энергии, автоматически выбирая оптимальный режим генерации энергии в соответствии с характеристиками потребления, чтобы избежать частых пусков-остановок, частых изменений нагрузки и других условий с высокими потерями.

Во-третьих, в стационарных системах выработки электроэнергии предъявляются чрезвычайно высокие требования к стабильности и долговечности топливных элементов. Компания Liyuan Technology провела оптимизацию на уровне материалов и компонентов, вплоть до системного уровня. Например, благодаря выбору ключевых сырьевых материалов, таких как протонно-обменная мембрана (PEM), газодиффузионный слой (GDL), катализатор, и структурной оптимизации мембранно-электродного блока (MEA), команда разработчиков мембранных электродов создала мембранный электрод с четырехслойной каркасной структурой, который обеспечивает длительный срок службы MEA, необходимый для стационарных электростанций; оптимизация стратегий отклика системы при запуске-остановке, переменной нагрузке, высокой/низкой нагрузке и других рабочих условиях позволяет избежать потерь таких материалов, как протонно-обменная мембрана, катализатор, газодиффузионный слой и т. д., и продлить срок службы блока.

В-четвертых, на уровне проектирования и управления системы для повышения надежности топливного элемента используются различные методы в сочетании друг с другом.

Для системы подачи воздуха был разработан скоординированный метод управления воздушным компрессором и противодавлением, позволяющий разделить поток воздуха и давление на входе, благодаря чему эти два параметра могут быстро и точно реагировать на требования системы, сохраняя при этом высокую надежность при значительных изменениях условий эксплуатации и окружающей среды, эффективно предотвращая повреждение компрессорного блока из-за недостаточной подачи воздуха в условиях переменной нагрузки.

Разработан метод управления пропорциональным клапаном водородного эжектора с опережающей связью и адаптивным замкнутым контуром для системы циркуляции водорода, который точно согласовывает момент открытия выпускного клапана водорода и изменение открытия пропорционального клапана, и может эффективно подавлять колебания давления по обеим сторонам мембранного электрода, вызванные открытием выпускного клапана водорода, значительно снижая риск перфорации мембранного электрода.

Для контроля содержания воды в мембране был разработан наблюдатель состояния, который оценивает содержание жидкой воды на анодной и катодной сторонах стека на основе оценки потока водорода на аноде и разницы давлений на входе и выходе из катодного стека, и контролирует содержание воды в мембране в режиме реального времени в разумных пределах путем регулирования времени открытия клапана сброса водорода и коэффициента избытка воздуха, эффективно снижая частоту отказов, связанных с высыханием и затоплением мембраны.

«Наша система выработки электроэнергии на основе топливных элементов отличается подлинной стабильностью и надежностью и подходит для стационарных электростанций различных размеров», — заключила компания Liyuan Technology.

Известно, что в рамках демонстрационного проекта по внедрению интеллектуальной энергетики с нулевым выбросом углерода на территории завода компании стабильно работает электростанция, использующая технологию производства водорода методом электролиза воды в сочетании с топливными элементами, с эффективностью преобразования электроэнергии в водород и обратно в 35%, что является очевидным преимуществом в отрасли.

В отраслевом контексте водородные накопители энергии, как представитель технологий долговременного хранения энергии, включены в официальную программу поддержки новых технологий хранения энергии. Ожидается, что снижение затрат на производство, хранение и транспортировку водорода будет способствовать развитию распределенных систем генерации электроэнергии.

Несмотря на то, что применение топливных элементов для выработки электроэнергии все еще находится на ранних этапах развития и сталкивается со многими трудностями и проблемами, которые необходимо преодолеть, компания, будучи пионером в отрасли, глубоко изучила сценарии применения, руководствуясь перспективным видением и твердыми шагами, и преодолевала одну техническую трудность за другой, прокладывая прочный путь для развития применения топливных элементов в энергетике.