Тема 7. Средне- и высокотемпературные топливные элементы

Тема
7.
Средне-
и
высокотемпературные
топливные
элементы
для
стационарных приложений (2 часа)
Фосфорнокислые топливные элементы
Анод – композиционные материалы на основе платины и углерода. Катод –
композиционные материалы на основе платины (или ее сплавов) и углерода.
Электролит – раствор H3PO4 в матрице из пористого карбида кремния.
Суммарная токообразующая реакция H2 + 1/2(O2) → H2O
Рабочая температура – 200 оС.
Достоинства – низкая стоимость электролита, высокая надежность.
Недостатки – дороговизна и отравляемость катализатора, необходимость
замены
электролита,
по
сравнению
с
щелочными
и
твердополимерными
топливными элементами требуют большего времени выхода на рабочий режим
Применяются в качестве стационарных источников питания.
Фосфорная кислота: Это - наиболее коммерчески развитый тип топливного
элемента. Он нашел широкое применение во многих областях: больницах,
пансионатах
для
престарелых,
гостиницах,
офисных
зданиях,
школах,
вспомогательных электростанциях и терминалах аэропортов. Топливные элементы
на фосфорной кислоте вырабатывают электричество с КПД более 40% или около
85% (если пар, который производит этот топливный элемент, используется для
совместного производства тепла и электричества) в сравнении с 30% КПД наиболее
эффективного двигателя внутреннего сгорания. Рабочие температуры находятся в
пределах 400 оF (tC = (tF-32)/1,8).
Расплавкарбонатные ТЭ
Анод – композиционные материалы на основе никеля или его сплавов. Катод –
композиционные материалы на основе оксида никеля. Электролит – литий/калиевый
карбонат (Li2CO3/K2CO3) или литий/натриевый карбонат (Li2CO3/Na2CO3) в
керамической матрице на основе алюминия (LiAlO2).
Суммарная токообразующая реакция H2 + 1/2(O2) → H2O
Рабочая температура – 650 оС.
Достоинства – отсутствует необходимость использования Pt катализаторов; в
качестве топлива помимо водорода может использоваться метан.
Недостатки – длительное время запуска, электролит может вызывать
коррозию, основные материалы относительно дороги из-за высокой рабочей
температуры.
Применяются в качестве стационарных источников питания.
Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные
установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами
второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают
из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного
алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.
Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические
проблемы: снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода; повысить
эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.
Твердооксидные топливные элементы
Анод – никелевый кермет. Катод – манганит лантана LaMnO3. Электролит –
керамический материал на базе ZrO2 (Y2O3).
Суммарная токообразующая реакция H2 + 1/2(O2) → H2O
Рабочая температура – 500-1000 оС.
Достоинства – отсутствует необходимость использования Pt; по сравнению с
другими типами топливных элементов, твердооксидные топливные элементы
позволяют достигать наиболее высоких мощностей; в качестве топлива может
использоваться не только водород, но и метан или моноокисд углерода.
Недостатки – длительное время запуска, основные материалы относительно
дороги из-за высокой рабочей температуры.
Применяются в качестве стационарных источников питания.
Их рабочая температура – до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ
близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого
угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое
тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара,
приводящего в движение турбины электрогенераторов.
Топливные
элементы
на
расплавленном
карбонате
обещают
быть
высокоэффективными в отношении КПД преобразования топлива в электричество, а
также обладать возможностью потребления топлива на основе угля. Эти элементы
работают
при
температуре
около
1
200
оF.
Твердые
оксиды:
Другим
многообещающим топливным элементом является твердоокисный элемент, который
может быть использован на больших мощных установках, включая промышленные
и крупные центральные станции, вырабатывающие электричество. Некоторые
разработчики считают, что твердоокисные топливные элементы могут также
использоваться в автомобильном транспорте. В Европе готовится испытание
установки в автотранспорте мощностью 100 кВт. В Японии уже вступили в строй
два небольших блока мощностью 25 кВт. В системах на твердых оксидах вместо
жидкого электролита обычно используется твердый керамический материал, что
позволяет достичь рабочих температур до 1 000
о
С. КПД при выработке энергии
может достигнуть 60%. Один тип твердоокисных топливных элементов использует в
своей конструкции массив метровых труб, другие варианты - сжатый диск, который
напоминает крышку от жестяной банки из-под супа.
Так называемые SOFC (Solid Oxide Fuel Cell-Твердооксидные топливные
элементы) наиболее перспективны для стационарной выработки электроэнергии.
Значительным плюсом SOFC является возможность использования в качестве
топлива, как водорода, так и углеводородов (метан, пропан), которыми можно
снабжать топливные элементы во время нехватки «чистого» водорода, а также при
постепенном переходе энергетики на «водородные рельсы».
Рассмотрим подробней работу SOFC. Он состоит из катода, к которому
подводится воздух и, проходя через поры диссоцирует, ионизируется и проходит
через электролит в зону реакции на стороне анода. Там он окисляет водород до
воды, которая уносится с топливным потоком во вне, а образующиеся при этой
реакции свободные электроны проходят через внешнюю цепь на катод. И процесс
повторяется. На каждую моль воды выделяется 237кДж. Что эквивалентно 1.23 В.теоретически максимальное напряжение, на практике оно конечно ниже 1В.
Комбинированные установки на основе SOFC и газовых турбин могут иметь
КПД до 82%-а это огромная экономия СО2 выбросов и средств, потраченных на
топливо. Также является перспективным использование SOFC установок малой и
средней мощности для децентрализованного энергоснабжения т.к. существующая
инфраструктура газовых и электрических сетей идеально подходит для этого.
Технология топливных элементов находится сегодня перед прорывом на рынок.
В качестве справки: По оценкам, в Германии к 2014 г. доля твердооксидных
топливных элементов в отоплении и электроснабжении составит 10–30%.
Энергоустановки на их основе электрической мощностью 1,5 кВт и тепловой
мощностью 2,9 кВт будут использоваться в коттеджах и многоквартирных домах.
Регенеративные топливные элементы, также недавно вошедшие в семейство
топливных
элементов,
привлекательны
тем,
что
обеспечивают
выработку
электроэнергии в замкнутом цикле. Вода разлагается на водород и кислород с
помощью установки для электролиза с питанием от солнечной батареи. Водород и
кислород подаются в топливный элемент, который вырабатывает электричество,
тепло и воду. Вода затем возвращается назад в установку для электролиза на
солнечных батареях, и процесс начинается снова. В настоящее время НАСА и
другие организации во всем мире проводят исследования с этими типами топливных
элементов.
Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД
современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у
топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. КПД топливных элементов
может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они используются не на
полную номинальную мощность, что является серьезным преимуществом по
сравнению с двигателями на бензине. Модульный принцип устройства топливных
элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно
увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию
коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет лучше приводить в
соответствие спрос и предложение. Поскольку КПД блока топливных элементов
определяется
производительностью
отдельных
элементов,
небольшие
электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и
большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных
элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более
увеличивая эффективность использования энергии. При использовании топливных
элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на
чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый
водяной пар. Так на космических кораблях астронавты пьют воду, которая
образуется в результате работы бортовых топливных элементов.
Состав
выбросов
зависит
от
природы
источника
водорода.
При
использовании метанола образуются нулевые выбросы оксидов азота и оксида
углерода и только небольшие выбросы углеводорода. Выбросы увеличиваются по
мере перехода от водорода к метанолу и бензину, хотя даже при использовании
бензина уровень выбросов будет оставаться достаточно низким. В любом случае
замена сегодняшних традиционных двигателей внутреннего сгорания на топливные
элементы привела бы к общему снижению выбросов СО2 и оксидов азота.
Использование топливных элементов обеспечивает гибкость энергетической
инфраструктуры, создавая дополнительные возможности для децентрализованного
производства электроэнергии. Множественность децентрализованных источников
энергии позволяет снизить потери при передаче электроэнергии и развить рынки
сбыта энергии (что особенно важно для отдаленных и сельских районов, при
отсутствии доступа к линиям электропередач). С помощью топливных элементов
отдельные жители или кварталы могут сами обеспечить себя большей частью
электроэнергии и таким образом значительно повысить эффективность ее
использования. Топливные элементы предлагают энергию высокого качества и
повышенной надежности. Они долговечны, у них нет подвижных частей, и они
производят постоянный объем энергии. Однако технология топливных элементов
нуждается в дальнейшем совершенствовании с тем, чтобы повысить их
производительность, снизить затраты и, таким образом, сделать топливные
элементы
технологий.
конкурентноспособными
Следует
отметить,
относительно
что
когда
других
энергетических
рассматриваются
затратные
характеристики энергетических технологий, сравнения должны проводиться на
основе всех составляющих технологических характеристик, включая капитальные
эксплуатационные расходы, выбросы загрязняющих веществ, качество энергии,
долговечность, вывод из эксплуатации и гибкость. Хотя водородный газ является
наилучшим топливом, инфраструктуры или транспортной базы для него еще не
существует.
В
ближайшей
перспективе
для
обеспечения
энергоустановок
источниками водорода в виде бензина, метанола или природного газа могли бы
использоваться существующие системы снабжения ископаемым топливом (газовые
станции и т.д.). Это исключило бы необходимость создания специальных
водородозаправочных станций, но потребовало бы, чтобы на каждом транспортном
средстве был установлен преобразователь ("реформатор") ископаемого топлива в
водород. Недостаток этого подхода состоит в том, что он использует ископаемое
топливо и, таким образом, приводит к выбросам двуокиси углерода. Метанол,
являющийся в настоящее время ведущим кандидатом, создает меньше выбросов,
чем бензин, но он бы потребовал установки на автомобиле емкости большего
объема, поскольку он занимает в два раза больше места при одинаковом энергосодержании. В отличие от систем снабжения ископаемым топливом, солнечные и
ветровые системы (использующие электричество для создания водорода и
кислорода
из
воды)
и
системы
прямого
фотопреобразования
энергии
(использующие полупроводниковые материалы или ферменты для производства
водорода) могли бы обеспечивать снабжение водородом без этапа реформинга, и,
таким образом, можно было бы избежать выбросов вредных веществ, что
наблюдается
при
использовании
метаноловых
или
бензиновых
топливных
элементов. Водород мог бы накапливаться и преобразовываться в электричество в
топливном элементе по мере необходимости. В перспективе соединение топливных
элементов с такого рода возобновляемыми источниками энергии, скорее всего,
будет
эффективной
стратегией
обеспечения
продуктивным,
продуманным и универсальным источником энергии.
экологически
Вопросы для самоконтроля
1.
При
каких
температурах
работают
фосфорнокислые
топливные
элементы?
2.
Какие катализаторы используются в фосфорнокислых топливных
элементах?
3.
Основные преимущества и недостатки фосфорнокислых топливных
элементов?
4.
Перспективы и области использования фосфорнокислых топливных
элементов?
5.
Основные конструктивные элементы расплавкарбонатных ТЭ?
6.
В области каких температур могут работать расплавкарбонатные ТЭ?
7.
Какие требования предъявляются к элементам расплавкарбонатных ТЭ?
8.
Основные
преимущества
и
недостатки,
области
использования
расплавкарбонатных ТЭ?
9.
Особенности конструкции твердооксидных ТЭ?
10.
В области каких температур могут работать твердооксидные ТЭ?
11.
Сферы использования твердооксидных ТЭ?
Рекомендуемая литература
1.
Коровин
Н.В.
Топливные
элементы
и
электрохимические
энергоустановки / Н.В. Коровин. – М. : МЭИ, 2005. – 280 с.
2.
Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. – М: Энергоиздат. 1991.
3.
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. – М:
Энергоиздат. 1981.
4.
Справочник.
“Водород.
Свойства,
получение,
хранение,
транспортирование, применение”. Москва “Химия” - 1989 г.
5.
“Обзор
методов
хранения
водорода”.
Институт
проблем
материаловедения НАН Украины. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/
6.
Ревелль П. Среда нашего обитания : в 4 кн. / П. Ревелль, Ч. Ревелль. – М.
: Мир, 1995. – Кн. 3 : Энергетические проблемы человечества. –367 с
7.
Браун Л.Р. Экоэкономика. Как создать экономику, оберегающую
планету / Л.Р. Браун. – М. : Весь мир, 2003. – 391 с.
8.
Рифкин Дж. Если нефти больше нет / Дж. Рифкин. – М. : Секрет фирмы,
2006. – 416 с.