Перспективы использования топливных элементов

К числу перспективных направлений совместного решенияпроблем энергетики и обеспечения техносферной безопасности относятся работы в области разработки топливных элементов (ТЭ), в которых дляпроизводства электрической энергии можно использовать водород, водородосодержащее сырье,например,природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода,такженеобходимого для реакции, используют обычныйвоздух [43].

При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции, помимо электрической энергии, является тепло и вода(или водяной пар),то есть в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используютводородсодержащеесырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другиегазы,например, оксиды углерода и азота,однако их количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.

Достоинства и недостатки топливных элементов. Топливные элементы энергетически более эффективны,чем двигатели внутреннего сгорания,посколькудля ТЭнеттермодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50%, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12–15%, а КПД паротурбинных энергетических установок не

превышает 40%. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще более увеличивается.

В отличие от, например двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, то есть большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.

Важное преимущество ТЭ – их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации ТЭнастольконизки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.

ТЭможноразмещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионахдлякоторых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в тоже время имеются запасы водородсодержащего сырья(нефти, природногогаза).

Достоинствами ТЭ являются также доступность топлива, надежность(в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.

Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки

В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций.Однакоиспользование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу(хотя и очень низким) и усложняют (а, следовательно, и удорожают) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возоб-новляемыхисточников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в ТЭ. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.

Еще одна особенность ТЭсостоит в том, что наиболее эффективны они при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования ТЭтолько для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.

Активное развитие технологий топливных элементов началосьпосле второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью.В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-хгодах специалисты НАСА (NationalAeronauticsandSpaceAdministration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ«Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo- Soyuz»,«Gemini» и «Skylab».На корабле«Apollo» были использованы 3установкимощностью1,5 кВт(пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. Топливные элементы применяли в космических кораблях многоразового использования «SpaceShuttle», где использовали три установки мощностью12 кВт, которые вырабатывают всю электрическуюэнергиюна борту космического корабля. Воду, получаемуюв результате электрохимической реакции, использовали в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.Внашей стране также велись работы по созданию ТЭ для использования в космонавтике. Например, ТЭ использовали для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».

В настоящее время развитие технологий использования ТЭидет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрали-зованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в том числе и в нашей стране),атакже источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т.д.).

Однойизсамых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25ModelC». Полностью автоматический ТЭтипаPAFCмощностью200 кВтпредназначен для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло-и электроснабжения.ТакойТЭ можноустанавливатьснаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5, а шириной и высотой 3 метра массой18140 кг.

Принцип действия топливных элементов можнорассмотретьнапримере простейшего элемента с протонообменноймембраной(ProtonExchangeMembrane, PEM).Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом(положительным электродом)и катодом (отрицательным электродом)вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимернуюмембрануиспользуютв качествеэлектролита.

PEM представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2–7листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.

На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде– восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаныизпористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина каккатализатор, способствует протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них соответственно водорода и кислорода.

Анод икатодпомещены между двумя металлическими пластинами,которыеподводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду,атакже электрическую энергию.

Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы. Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону,превращаются в положительно заряженные ионы водорода, то есть протоны. Положительно заряженные ионы водорода(протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь,ккоторой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии). Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода(протонами) из протонообменноймембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода.

Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используют раствор ортофосфорной кислоты) абсолютно идентичны химической реакции в топливном элементе с протонообменноймембраной.

В любом ТЭ часть энергиихимическойреакции выделяется в виде тепла.

Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянныйток,которыйиспользуют для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.

Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивает ЭДС менее1,16 В. Можно увеличить размеры ТЭ, однако на практике используют несколькоэлементов, соединенных в батареи.

Топливныйэлемент модели«PC25ModelC». которая состоит из трех основных частей:

●топливного процессора,

●собственно секции выработки энергии

●преобразователя напряжения.

Схема работы топливного элемента приведена на рис. 2.11.

Основная часть топливного элемента – секция выработки энергии– представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек.Всостав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток1400

Рис.2.11.Схема работы топливного элемента