Технологии топливных элементов: терминология, методы оценки эффективности, требования безопасности. Часть 2

Требования безопасности и методы определения рабочих характеристик

Начало в № 5/2018

Визитная карточка

Александр Юрьевич Раменский, к.т.н.

Президент Национальной ассоциации водородной энергетики (НАВЭ РФ)

Вице-президент Международной ассоциации водородной энергетики (IAHE)

Председатель технического комитета РОССТАНДАРТА «Водородные технологии» (ТК 029)

Безопасность

Основные требования к безопасности водородных систем, в том числе применительно к водородным энергоустановкам на топливных элементах, определяет ISO/TR15916:2015 «Basic considerations for the safety of hydrogen systems» (Основные требования безопасности водородных систем), который издан в виде технического отчета, являющегося одной из форм международного документа по стандартизации, принятых в ИСО. В соответствии с планом национальной стандартизации на 2018 год (ПНС‑2018) имплементация этого стандарта запланирована на 2020 год.

Требования безопасности к энергоустановкам на топливных элементах при разработке, изготовлении, монтаже и эксплуатации определены национальными стандартами: ГОСТ Р МЭК 62282–3–100–2014, ГОСТ IEC62282–5–1–2015, ГОСТ IEC62282–3–300–2015, ГОСТ IEC62282–3–300–2015.

ГОСТ Р МЭК 62282–3–100–2014 «Техно­логии топливных элементов. Часть 3–100. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность» (Fuel cell technologies – Part 3–100: Stationary fuel cell power systems – Safety), идентичный международному стандарту IEC 62282–3–100:2012, вступил в действие с 1 июля 2015 года. Общая стратегия безопасности, предложенная в ГОСТ Р МЭК 62282–3–100–2014, предусматривает выполнение анализа рисков, в том числе:

• все опасные события, опасные ситуации и нормально ожидаемые опасности должны быть определены;

• риск опасных событий, опасных ситуаций и нормально ожидаемых опасностей должен получить оценку на основе комбинации вероятности их возникновения и прогнозируемой степени тяжести;

• факторы, которые определяют каждый из рисков (вероятность и степень тяжести), должны быть оценены и снижены до приемлемого уровня, насколько это практически возможно.

Анализ видов и последствий отказов (FMEA) является общепринятым методом систематического анализа системы для идентификации видов потенциальных отказов, их причин и последствий, а также влияния отказов на функционирование системы. Такой анализ должен выполняться в соответствии с международными и национальными стандартами, такими как ГОСТ Р 51901.12–2007, модифицированными по отношению к МЭК 60812:2006, а также SAE 1739, МЭК 61025 и др. При этом оценка должна охватывать типовые возможности рисков, связанные с температурой, наличием электрического напряжения, повышенного давления во всех элементах конструкции, опасностей ЭМС, пожара, взрыва, сбоями в работе оборудования, использованием материалов, утилизацией отходов, а также опасностями, связанными с воздействием окружающей среды.

ГОСТ Р МЭК 62282–3–100–2014 распространяется на стационарные энергоустановки на топливных элементах, предназначенные для коммерческого, промышленного и бытового использования внутри и снаружи помещений, расположенных в пожаро- и взрывобезопасных зонах. В нем рассматриваются факторы опасности, опасные ситуации и события в случае использования этих энергоустановок по назначению в условиях, предусмотренных производителем, за исключением факторов, связанных с совместимостью установки с окружающей средой (условиями размещения). ГОСТ Р МЭК 62282–3–100–2014 не распространяется на микроэнергоустановки на топливных элементах, переносные энергоустановки на топливных элементах, силовые энергоустановки на топливных элементах.

П р и м е ч а н и е. Для специальных областей применения, таких как «вспомогательные судовые источники энергии», могут устанавливаться дополнительные требования в стандарте со сводом предписаний для морских судов.

ГОСТ IEC 62282–5–1–2015 «Технологии топливных элементов. Часть 5–1. Портативные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность», идентичный IEC 62282–5–1:2012, вступил в действие 1 мая 2017 года. ГОСТ IEC 62282–5–1–2015 регламентирует требования к конструкции, маркировке и испытаниям переносных энергоустановок на топливных элементах с номинальным выходным напряжением переменного тока не более 600 В или постоянного тока 850 В. Требования безопасности в соответствии с ГОСТ IEC 62282–5–1–2015 распространяются на различные виды топлива, используемого в портативных энергоустановках на топливных элементах, получаемого с использованием исходного сырья, такого как природный газ; сжиженный нефтяной газ, такой как пропан и бутан; жидкие спирты, например, метанол, этанол; бензин; дизельное топливо; керосин; водород; металлы (например, Mg, Al или Zn) или сплавы металлов, погруженные в электролит (например, водные растворы солей или щелочей) в воздухе или кислороде; химические гидриды.

ГОСТ IEC 62282–5–1–2015 содержит требования к методике испытаний портативных энергоустановок на топливных элементах, определяет требования к форме и содержанию инструкций по их эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту.

ГОСТ IEC 62282–3–300–2015 «Технологии топливных элементов. Часть 3–300. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Монтаж» (Fuel cell technologies – Part 3–300: Stationary fuel cell power systems – Installation), идентичный IEC 62282–3–300:2013, вступил в действие с 1 мая 2017 года. ГОСТ IEC 62282–3–300–2015 содержит минимальные требования безопасности при монтаже стационарных энергоустановок на топливных элементах вне здания, в том числе на крыше, а также внутри помещений, соответствующих ГОСТ Р МЭК 62282–3–100–2014. Требования стандарта относятся к монтажу оборудования, такого как энергоустановки, предназначенные для электрического подключения к сети электроснабжения напрямую или при помощи легкодоступных управляемых вручную переключателей или автоматических выключателей; энергоустановки, предназначенные для автономной системы распределения энергии; энергоустановки, предназначенные для выработки энергии переменного или постоянного тока; энергоустановки, имеющие функцию рекуперации полезного тепла, так и не имеющие такой функции.

ГОСТ IEC 62282–3–300–2015 регламентирует требования к документации, связанной с монтажом энергоустановки на топливных элементах, включая требования к маркировке, контрольной карте монтажа, руководству по установке и эксплуатации.

Методы испытания топливных элементов

Необходимость разработки стандартных требований к испытанию систем топливных элементов возникла с пониманием необходимости гармонизации нормативно-технической базы, связанной с их использованием в различных энергоустановках. Это обстоятельство обус­ловило стремление международных, межгосударственных и национальных организаций в области стандартизации разработать и принять серию гармонизированных стандартов для регулирования единых требований к испытаниям энергоустановок на основе топливных элементов различных типов. Сведения о нацио­нальных стандартах, идентичных международным стандартам ИСО и МЭК, представлены ниже.

ГОСТ IEC 72282–7–1–2016 «Технологии производства топливных батарей. Часть 7–1. Топливные элементы с полимерным электролитом. Методы испытаний единичного элемента» (Hydrogen fuel – Product specification – Part 3: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for stationary appliances), идентичный международному стандарту IEC 62282–7–1:2010, вступил в действие с 1 сентября 2017 года.

ГОСТ IEC 72282–7–1–2016 распространяется на соединения элементов, испытательную аппаратуру, измерительные приборы, методы измерений, методы проверки технических характеристик, протоколы (отчеты) испытаний единичных топливных элементов с полимерным электролитом (далее – ТЭПЭ) и может быть использован для оценки:

– рабочих характеристик мембранно-электродного блока (МЭБ) для ТЭПЭ;

– материалов или конструкций других компонентов ТЭПЭ;

– влияния примесей, находящихся в топливе

и/или в воздухе, на работу топливных элементов.

Единичный (простой) топливный элемент (single cell) представляет собой элемент, состоящий, как правило, из газораспределительной пластины анода, МЭБ, газораспределительной пластины катода и герметизирующих прокладок. На рис. 1 показана сборка единичного элемента из типовых компонентов.

Площадь электрода должна быть такой, чтобы обеспечивать измерение необходимых параметров, т.е. не менее 25 см2. Элементы с более крупными электродами могут давать более релевантные данные. Должна быть определена активная площадь электродов, при этом должно указываться значение площади меньшего из двух электродов, а также значение неопределенности измерения указанного параметра.

Для проведения испытаний единичного элемента требуется испытательный стенд, который включает:

– управление расходом газообразных реагентов, для дозирования газообразного топлива и окислителя, подаваемых в топливный элемент при требуемой электрохимической стехиометрии;

– управление увлажнением газообразных реагентов до требуемой точки росы перед подачей в топливный элемент. Рекомендуемое удельное электрическое сопротивление воды не менее 1 MΩ⋅cm (или удельная электрическая проводимость – не более 10–4 S m‑1).

П р и м е ч а н и е. Трубопроводы, транспортирующие газы между увлажнителями и элементом, для сведения конденсации к минимуму должны быть нагреты на 5–10° выше точки росы;

– управление давлением газовых реагентов для регулирования давления внутри топливного элемента;

– регулирование нагрузки для получения заданного значения тока элемента. Блок нагрузки должен работать либо в режиме стабилизации тока, либо в режиме стабилизации напряжения;

– управление нагревом/охлаждением элемента, для нагрева или охлаждения единичного элемента до заданной рабочей температуры;

– мониторинг и регистрация напряжения элемента;

– управление испытательным стендом с вышеперечисленными функциями;

– системы безопасности, позволяющие автоматически (или вручную со звуковой сигнализацией) остановить проведение испытания в случае аварии.

Рекомендуется продувка азотом анодного и катодного контуров. Также рекомендуется использовать блокировку, включаемую при высоком/низком напряжении, давлении и температуре элемента и утечках газа. Кроме того, следует обеспечивать испытательный стенд соответствующей вентиляцией.

Представлены методики испытания единичного топливного элемента, включая определение вольт-амперной характеристики, параметров при постоянном расходе газа, при стехиометрическом соотношении рабочих газов, процедуры для определения внутреннего сопротивления, проверки предельного тока, проверки диффузионных характеристик сред, проверки влияния влажности топлива и окислителя, оценки влияния состава топлива, для проведения циклических и ресурсных испытаний, проверки параметров образцов в разных температурных условиях и др.

ГОСТ Р МЭК 62282–2–2014 «Технологии топливных элементов. Часть 2. Модули топливных элементов», идентичный международному стандарту IEC 62282–2:2012, введен в действие с 1 июля 2015 года.

Международная интеграция, связанная с разработкой, производством и эксплуатацией энергоустановок на основе топливных элементов, требует формирования единых технических требований к модулям топливных элементов. В связи с этим Международной электротехнической комиссией (МЭК) в 2012 году был разработан и введен в действие международный стандарт IEC 62282–2:2012, который лег в основу идентичного национального стандарта.

Национальный стандарт ГОСТ Р МЭК 62282–2–2014, идентичный IEC 62282–2:2012, регламентирует широкий спектр видов испытаний, включая типовые и приемочные испытания, в том числе:

– испытания в условиях нормальной эксплуатации;

– испытание на допустимое рабочее давление;

– испытание системы охлаждения на герметичность под давлением;

– испытание на воздействие электрических нагрузок;

– испытание повышенным давлением;

– испытание диэлектрика на электрическую прочность;

– испытание на перепад давления;

– испытание на наличие концентрации горючих веществ;

– испытания в условиях нештатных ситуаций;

– испытание на недостаточную подачу топлива;

– испытание на недостаточную подачу кислорода/окислителя;

– испытание на короткое замыкание;

– испытание на недостаточное/неисправное охлаждение;

– испытания на утечку газа;

– испытание системы отслеживания кроссовера газов;

– испытания на удар и вибрацию;

– проверку цикла замерзания/оттаивания.

ГОСТ Р МЭК 62282–2–2014 также определяет правила маркировки продукции, предоставления технической документации, инструкций по монтажу, техническому обслуживанию, эксплуатации и утилизации модулей топливных элементов. Опираясь на существующую международную систему стандартизации в области модулей топливных элементов, современным разработчикам энергоустановок представляется возможным создать свой сегмент рынка, обусловленный тем, что модуль топливного элемента может быть самостоятельным продуктом коммерциализации, имеющим определенные технические характеристики.

ГОСТ Р МЭК 52282–3–200–2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3–200. Стацио­нарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик» (Fuel cell technologies – Part 3–200: Stationary fuel cell power systems – Performance test methods), идентичный международному стандарту IEC 62282–3–200:2012, вступил в действие с 1 июля 2015 года.

Требования ГОСТ Р МЭК 62282–3–200–2014 распространяются на методы определения технических и экологических характеристик установок мощностью свыше 10 кВт, в том числе:

– мощностных характеристик в заданных рабочих и переходных режимах;

– экономических характеристик, в том числе для расчета полезного электрического коэффициента и тепловой эффективности в заданных рабочих режимах;

– экологических характеристик, связанных с выбросами отработавших газов, уровнем шума и т. д. в заданных рабочих и переходных режимах.

ГОСТ IEC 62282–3–201–2015 «Технологии топливных элементов. Часть 3–201. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик систем малой мощности» (Fuel cell technologies – Part 3–201: Stationary fuel cell power systems – Performance test methods for small fuel cell power systems), идентичный IEC 62282–3–201:2013, вступил в действие c 1 мая 2017 года.

Требования ГОСТ IEC 62282–3–201–2015 регламентируют методы испытания для определения рабочих характеристик систем малой мощности, до 10 кВт. Указанный стандарт базируется на национальном стандарте ГОСТ Р МЭК 62282–3–200–2014, в котором приведено описание методов испытаний в целом для определения рабочих характеристик, которые являются общими для всех типов топливных элементов. В ГОСТ IEC 62282–3–201–2015 описываются только типовые испытания и методы проведения этих испытаний. Стандарт не содержит требования по проведению контрольных испытаний, не определяет такие испытания и не устанавливает целевые показатели рабочих характеристик. Стандарт предназначен главным образом для изготовителей с целью сертификации энергоустановок малой мощности.

Особенностью указанного стандарта является то, что в нем устанавливаются методы определения электрических/теплотехнических и экологических характеристик стационарных энергоустановок на топливных элементах малой мощности, которые удовлетворяют следующим критериям:

– номинальная выходная электрическая мощность менее 10 кВт;

– режим генерации: работа с подключением к сети, независимо от сети; автономная работа с однофазным выходным напряжением переменного тока, трехфазным выходным напряжением переменного тока не более 1000 В, с выходным напряжением постоянного тока не более 1500 В.

П р и м е ч а н и е. Предельное значение до 1000 В взято из определения низкого напряжения, указанного в IEV 601–01–26:

– максимально допустимое рабочее давление менее 0,1 МПа (избыточное) для трактов топлива и окислителя;

– топливо: газообразное (природный газ, пропан, бутан, водород и т. д.); жидкое (керосин, метанол и т. д.);

– окислитель – воздух.

Основным направлением применения энергоустановок на топливных элементах малой мощности является производство электроэнергии. В качестве дополнительной опции может быть использована утилизация сопутствующего тепла. Соответственно, энергоустановки на топливных элементах, для которых использование тепла является основной задачей, а использование сопутствующей электроэнергии – дополнительной, не подпадают под действие ГОСТ IEC 62282–3–201–2015.

Национальный стандарт ГОСТ Р ИСО 23828–2013 «Дорожные транспортные средства на топливных элементах. Измерение потребления энергии. Транспорт на сжатом водороде» (идентичен ISO 23828:2013). Настоящий стандарт распространяется на транспортные средства c топливными элементами, в которых энергоустановка является единственным источником энергии для силовой и вспомогательных систем, а также на транспортные средства на топливных элементах с комбинированной энергоустановкой, без подзарядки от внешнего источника.

Надо иметь в виду, что в Российской Федерации существует система требований к организации и проведению испытаний, основанная на национальной и международной системе стандартов. В качестве основополагающих стандартов следует использовать ГОСТ 16504–81 «Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения» и ГОСТ Р 15.201–2000 «Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство».

Учитывая особенности становления современного глобального рынка технологий топливных элементов, система органов государственной власти Российской Федерации, общественные организации и субъекты национального бизнеса уже сегодня активно начинают продвигать действующую систему национальных и межгосударственных стандартов в области водородных технологий и топливных элементов, которые в большой степени идентичны международным стандартам ИСО, МЭК и др.

Выводы и рекомендации

– Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) в рамках деятельности Технического комитета по стандартизации «Водородные технологии» ТК 029, и Некоммерческого партнерства «Национальная ассоциация водородной энергетики» (НП НАВЭ), опираясь на основополагающие принципы государственного регулирования, установленные федеральными законами «О техническом регулировании» от 27 июня 2002 года № 184-ФЗ и «О стандартизации в Российской Федерации» от 29 июня 2015 года № 162-ФЗ, планомерно формирует систему стандартизации водородных технологий и топливных элементов с учетом развития международного рынка, стимулируя таким образом продвижение инновационной деятельности в России.

– Формирование технической политики в области топливных элементов и сопутствующих им водородах технологий с учетом гармонизации национальной и международной системы технического регулирования, является элементом стратегического планирования, направленного на содействие социально-экономическому развитию Российской Федерации, интеграции в мировую экономику и международные системы стандартизации в качестве равноправного партнера, улучшение качества жизни населения страны, обеспечение обороны и безопасности государства, техническое перевооружение промышленности, улучшение качества продукции, повышение конкурентоспособности товаров российского производства и достижение технологического лидерства нашей страны в самое ближайшее время.

– Действующая национальная законодательная и нормативно-техническая база формирует благоприятный инвестиционный климат для коммерциализации технологий топливных элементов и сопутствующих им водородных технологий в Российской Федерации а также интеграции отечественного бизнеса в глобальную водородную экономику.

– Реформа технического регулирования Российской федерации создает благоприятные условия для дальнейшей модернизации нормативно-технической базы водородных технологий, устранения архаичных норм, а также формирования правоприменительной практики в области нормативно-технического регулирования водородных технологий.

– Применение требований национальных стандартов для оценки продукции в области ВТ и ТЭ позволит также более эффективно реализовать современные тенденции в области реализации товаров, работ, услуг, установленные федеральными законами от 5 апреля 2013 года № 4-ФЗ «О контрактной системе в сфере закупок товаров, работ, услуг для обеспечения государственных и муниципальных нужд» и от 18 июля 2011 года № 223-ФЗ «О закупках товаров, работ, услуг отдельными видами юридических лиц» (с изм. и доп., вступ. в силу с 9 января 2018 года).

– Международное сотрудничество в рамках технических комитетов ISO/TC197 и IEC/TC105, имплементация международных стандартов в национальную и межгосударственную систему технического регулирования являются приоритетным направлением для коммерциализации водородных технологий и топливных элементов в России.

Список литературы

[1] Реформатский А. А. Термин как член лексической системы языка // Проблемы структурной лингвистики. М., 1968.

[2] Шелищ П. Б., Раменский А. Ю. О состоянии и задачах стандартизации в сфере водородных технологий // Стандарты и качество. 2009. № 10.

[3] Раменский А. Ю. Водород в качестве топлива: Предмет и цели стандартизации // Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 1. С. 35–44.

[4] Раменский А. Ю. Техническое регулирование водородных технологий. Применение международной нормативно-технической базы в интересах национальной инновационной политики // GASWORLD Россия и СНГ. 2016. Март-апрель. С. 26–27.

[6] Раменский А. Ю., Григорьев С. А. Технологии топливных элементов: Вопросы технического регулирования // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2016. № 19–20. С. 107–129.

[7] Раменский А. Ю. Применение водорода в качестве топлива // АБС-авто. 2018. № 2.

[8] Ramenskiy A.Yu., Grigoriev S. A., Ramenskaya E. A., Grigoriev A. S. Technical regulation issues concerning fuel cell technologies in the Russian Federation, countries of the Eurasian Economic Union and CIS countries // International journal of hydrogen energy. 2017. No. 42.

Александр Раменский, президент Национальной ассоциации водородной энергетики (РФ), канд. техн. наук