С протоно-обменной мембраной

 

ампер принапряжении155вольт. Размеры батареи– примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.

Поскольку электрохимический процесс идет при температуре177°C,необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав ТЭ входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.

Топливный процессор, использующий природный газ, позволяет преобразовать этот газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора – реформер. В реформереприродный газ(или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900°C) и высоком давлении в присутствии катализатора–никеля.

Для обеспечения высокой температуры,требуемой для преобразования природного газа,частьотработанного топлива из батареи топливных элементов направляют в горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.

Пар, необходимый для реформинга,образуетсяиз конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используюттепло, отводимое от батареи топливных ячеек.

В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используютпреобразовательнапряжения.

Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.

В таком ТЭ образуется примерно 40% электрической энергии.Примерностолько же,около40% энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобныхцелей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80%.

Важным достоинством такого источника тепло и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владель-цамобъекта,накотором установлен автоматизированный ТЭ, не требуется содержать специально обученный персонал, поскольку периодическое обслуживание могутосуществлятьработники эксплуатирующей организации. Технические характеристики элемента приведены в табл.2.3.

Типы топливных элементов. Известно несколько типов ТЭ, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие 4 типа:

●топливные элементы с протонообменноймембраной(ProtonExchange MembraneFuelCells,PEMFC),

●топливные элементы на основе орто фосфорной (фосфорной) кислоты (PhosphoricAcidFuelCells,PAFC),

●топливные элементы на основе расплавленного карбоната(MoltenCarbonateFuelCells,MCFC),

●твердотельные оксидные топливные элементы(SolidOxideFuelCells

, SOFC).

В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.

Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура.Вомногом именно температура определяет область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.

Таблица 2.3. Основные характеристики топливного элемента РС25С

 

Для автономного энергоснабжения зданий необходимы ТЭ высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей можно использовать топливные элементы других типов.

Топливные элементы с протоно-обменной мембраной (PEMFC_ PolymerElectrolyteMembraneFuelCell, ProtonExchangeMembraneFuelCell) – топливный элемент с полимерной мембраной. В качестве электролита в таких топливных элементах используется полимерная мембрана толщиной примерно в 2-7 листов обычной бумаги. Восстановителем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода – 10-100 мг/кг. Топливные элементы PEM обладают высоким выходом мощности– 0.7 В на ячейку мембраны.

Типы топливных элементов приведены в табл.2.4.

Биотопливныеэлементы согласно прогнозам представляют будущее энергетики. Все ищут новые альтернативные источники энергии. Специалисты считают перспективными экологически безопасные, неиссякаемые и дешевые микробные топливные элементы. Принцип их работы основан на способности бактерий к перевариванию органики. В результате разложения сахаров до спиртов и кислот освобождаются электроны, которые можно использовать.

Первые эффективные биотопливные элементы появились только в начале этого тысячелетия,когда в университете Южной Флориды был создан первый робот, успешно работающие на сахаре.

Для развитых стран маломощные биотопливные ячейки пока не подходят. Зато они смогли помочь народам Африки, во многих поселениях которой вообще нет электричества. Команда гарвардскихстудентов-ученых, объединившихся в организацию Lebone, подарила электричество нескольким деревням в Танзании (2008) иНамибии (2009). Предложенный ими простой и крайне дешевый генератор электричества работает в течение нескольких месяцев от грязи, которой в Африке предостаточно.

Аналогично «живые генераторы» перспективны для обеспечения работы оборудования вдали от цивилизации. Например, в США разрабатывают биоаккумуляторы для подводногоморского оборудования, в частности датчиков передвижения для морских животных. В 2002 годуамериканскиеученыеполчи-

Таблица 2.4. Типы топливных элементов

лиэлектричествоотбактерийизморскогопридонногоила. Дляэтогоодинграфитовыйстержень поместили впридонныйил, другойпогрузиливводунепосредственноподокеанскойповерхностью, насыщеннойкислородом. Поданным эксперимента полученнойэнергииужетогдабылодостаточно велико. Принципы работы биобатареек. Колония бактерий, живущая на аноде, расщепляет углеводы до углекислого газа (СО2), протонов (Н+) и электронов. В природе в аэробныхусловиях бактерии используют кислород или нитраты в качестве акцепторов электронов, так что окончательным продуктом реакции становится вода.

В микробиологической топливной установке условия анаэробные, поэтому бактерии вынуждены передавать электроны доступному акцептору, то есть аноду.Далее электроны текут по электрической цепи через нагрузку к катоду. В это же время протоны из анодной камеры через катионную мембрану попадают в катодную камеру, содержащую кислород. На катоде из кислорода и протонов восстанавливается вода (рис.2.12).

Микробиологические топливные элементы подразделяют на:

●микробные

●ферментные,

В качестве катализаторов в них применяют либо целые микроорганизмы, либо ферментные препараты. Часто используют бактерию Escherichiacoli (кишечная палочка). Большой процент используемых микроорганизмов состав-

 

 

Рис.2.12.Схема микробиологической топливной установки

ляютGeobacter (анаэробныежелезобактерии).Полагают, что сам вид бактерий вообще неважен, поэтому можно использовать естественную микрофлору.

Топливные ячейки на бактериях попали на восьмое место в списке«TheTimes» 50 лучшихизобретений 2009 года. В качестве топлива в них могут использовать углеводы, органические кислоты и спирты, а также многие органические отходы, что позволяет решать как энергетическую, так и экологическую проблемы.

Автомобиль с энергоустановкой на базе топливных элементов (FCXClarity) впервые был представлен публике 14 ноября 2007 года на автосалоне в Лос-Анджелесе. Силовая установка пока гибридная: водородные топливные элементы (ВТЭ)дублируются вспомогательной ионно-литиевой аккумуляторной батареей. Автомобиль приводит в движение электромотор мощностью 100 кВт (134 л. с). Пробег FCXClarityна одной заправке составляет 270 миль (435 км). Автомобиль производят на заводе HondaAutomobileNewModelCenter в Японии. За 3 года планировали выпустить около 200 таких машин [31].

В то же время стоимость водородно-электрического силового агрегата для легковых автомобилей еще на порядок выше его бензинового и бензоэлектрического аналога. Для реализации проекта FCXClarity в США Honda разработала программу лизинга на срок в три года с ежемесячными платежами в $600. Это довольно дорого, но данный проект запущен с целью испытания и совершенствования силовой установки при реальной эксплуатации, а также для обозначения пионерских позиций на рынке водородных «экомобилей». Уже сейчас FCXClarity работает ради создания более совершенных и доступных автомобилей с силовыми установками на топливных элементах.

Daimler-Chrysler намерен к 2015 году произвести 10 тыс. автомобилей и автобусов с водородной силовой установкой; Hondaнамерена выпустить на дороги США 12 тыс. и 50 тыс. таких автомобилей к 2010 и 2020 гг. соответственно. Toyota собирается довести к 2015-му стоимость водородной легковушки до $50 тыс.,aGM - обеспечить массовое производство к 2025 году.

За 15 лет разработки и исследований Honda создала экологически безвредный автомобиль, работающий на водородном топливе, с конкурентоспособными эксплуатационными характеристиками:

● в атмосферу автомобиль выбрасывает лишь воду,

● затраты на покупку топлива в 3 раза ниже, чем у владельцев машин с бензиновыми и дизельными двигателями: на одном баке автомобиль может проехать около 450 км, то есть на 115 км ему требуется 1 кг водородного топлива. Таким образом, затраты при уже достигнутой стоимости топливного водорода находятся на уровне $4 на 100 км пробега.

В авиации Boeing прогнозирует, что водородно-топливные элементы (ВТЭ)постепенно заменят вспомогательные энергетические установки. Они станут источниками электроэнергии для самолета, находящегося на земле, и источниками его бесперебойного питания в воздухе и будут в самое ближайшее время устанавливаться на новое поколение Боингов 747.

Для железнодорожного транспорта требования к стоимости и компактности силовой установки намного ниже, чем для автомобильного. Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планировали начать эксплуатацию поезда на водородных топливных элементах уже к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч и проходить без заправки 300-400 км. В США с 2003-го разрабатывается локомотив массой 109 тонн с водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.

На вооружении военно-морских сил Германии стоят подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства SiemensAG. Планируется, что U-212 встанет на вооружение флотов Греции, Италии, Кореи, Израиля.

В США разрабатываются ВТЭ для военных кораблей мощностью 625 кВт. Японская подводная лодка Urashima с водородными топливными элементами производства MitsubishiHeavyIndustries была испытана еще в августе 2003 года.

Ряд производителей выпускает автомобили с двигателями внутреннего

сгорания, допускающими применение водорода в качестве топлива. Mazda

еще в 2006-м начала продажи автомобиля RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять как бензин, так и водород. Автобусы с двигателями, работающими на водороде, производят Ford, MAN, Daimler-Chrysler.

Тем не менее многомиллионный парк автомобилей во всем мире еще много лет будет работать на традиционных видах топлива - бензине, дизельном газе, природном газе и биогазе, этаноле, метаноле, полученныхиз растительного сырья по биотехнологиям.