XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Топливные элементы представляют собой электрохимические преобразователи типа батареек, но с непрерывной подачей продуктов реакции. Они непосредственно преобразуют поступающие продукты реакции (водород и кислород) в электричество, тепло и воду. В результате этого проявляются такие важные свойства топливных элементов как высокий электрический КПД при полной и частичной загрузке при очень незначительной эмиссии вредных веществ, которая возникает из-за подключения горелочного устройства для подготовки водорода из жидких энергоносителей. Отсутствие механических компонентов в батарее элементов дает основание ожидать, что они почти не будут нуждаться в техобслуживании и будут иметь продолжительный срок эксплуатации.

Примеры исполнения малых мини-ТЭЦ демонстрируют достаточно высокое развитие. В целом можно отметить больший интерес к мини-ТЭЦ, основанным на топливных элементах. Топливные элементы (ТЭ) могут выступать как в качестве самостоятельного первичного двигателя, непосредственно вырабатывающего электрическую энергию, так и в составе гибридной энергетической установки, являясь, например, надстройкой для ГТУ (ПГУ). В таблице 1 представлены главные характеристики когенерационных установок для сравнения их эффективности.

Таблица 1

Эффективность когенерационных энергоустановок

Основные преимущества использования топливных элементов:

• - меньше 0,5 ppm

• - на 50% меньше, чем в газовых электростанциях с обычными технологиями

• Высокий электрический КПД электростанции на топливных ячейках

• Простота использования - отсутствие операторов

• Воздушное охлаждение энергоблока на топливных ячейках

• Стабильное напряжение

• Комбинированное производство электроэнергии и тепла

• Незначительные объемы монтажных и пусковых работ, возможность перевозки различными видами транспорта

Однако у подобных систем есть и недостатки:

• Стоимость — цена 1 кВт установленной электрической мощности установки на топливных элементах — ячейках начинается от 4000$.

• Время выхода на рабочий режим 18 часов

• Электростанции на топливных элементах — ячейках имеют относительно большой вес.

Однако многое зависит от характеристик самих топливных элементов: рабочая температура, доступное тепло, устойчивость к периодическим изменениям температуры, плотность энергии, устойчивость к нечистому топливу и т.д.  На основе этих параметров существует множество различных типов ТЭ.

1. PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – топливный элемент с полимерной мембраной. В качестве электролита в таких топливных элементах используется полимерная мембрана. 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.  Крупные установки имеют мощность до 300 кВт (General Motors). 

2.DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – топливные элементы с прямым окислением метанола. ТЭ этого класса являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. В них в качестве топлива используется водный раствор метилового спирта (метанол), а не водород в чистом виде.  Безусловное преимущество DMFC – возможность использования метанола в жидком виде, который более удобно хранить и перевозить, чем водород. В отличие от других технологий, в которых используется жидкость вместе газа, в DMFC нет необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода и осуществления процесса «реформинга» – выделение водорода из метанола происходит непосредственно на электролите. 

3.AFC (Alkaline Fuel Cell) – щелочные топливные элементы. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) или его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель. Щелочные элементы значительно (примерно на порядок) уступают PEMFC по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Преимуществами всего класса AFC является низкая себестоимость их производства, возможность использования более дешевых никелевых и серебряных катализаторов, а также абсолютная экологическая чистота горячей воды (питьевая), получаемой в качестве отходов. 

4.PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – топливный элемент, в котором в качестве электролита используется жидкая фосфорная кислота. PAFC применяются на крупных стационарных объектах и служат для производства как электроэнергии, так и теплоты. Работают эти ТЭ на водороде, однако, требования по его чистоте значительно менее строгие, чем в случае использования PEMFC. Эффективность процесса выработки электроэнергии оценивается в 37–42% и 85% при использовании отводимой тепловой энергии. 

5.SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – топливный элемент с твердым керамическим электролитом. Отличие от прежде рассмотренных видов заключается в высоких температурах реакции (650–1000 ºС) и разнообразии применяемого топлива: природный газ, водород, пропан, биогаз, другие углеродосодержащие топливные элементы. КПД электрохимического преобразования – 50%, с учетом тепловой энергии – до 80%. Основной сферой применения этой технологии считается производство источников электрической и тепловой энергии для различных жилых, административных и прочих помещений. SOFC широко применяются в качестве первичных и портативных резервных источниках энергии большой емкости. 

6.MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – топливный элемент на основе расплавленного карбоната (соли натрия или лития). Топливные элементы данного типа также функционируют при высоких температурах – 600–700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения – крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива – только электрический КПД до 60 %.

7.MAFC (Metal Air Fuel Cells) – элементы на твердом топливе. В качестве электролита в этих ТЭ используется гидроксид калия (КОН), а топливом могут служить различные металлы: алюминий, магний, кальций, цинк, железо. На сегодняшний день данное направление остается скорее теоретическим, поскольку ТЭ на твердом топливе практически не выпускаются. 

Параметры данных видов топливных элементов приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Типы топливных элементов с температурой реакции

В зависимости от вышеперечисленных факторов можно сделать вывод, что низкие рабочие температуры предъявляют низкие требования к материалам относительно выносливости и, напротив, высокие требования к газоподготовке, и дают более низкий КПД. Абсолютно противоположная ситуация у топливных элементов с высокими рабочими температурами. Разработки по применению PAFC и MCFC в мини-ТЭЦ в настоящее время приостановлены. Эти типы обусловливают при холодном пуске переход электролита из твердой в жидкую фазу. Так как в самом малом классе мощностей требуется частое повторение процесса пуска, это приводит к тому, что фаворитами становятся топливные элементы типа РЕМ (ПЭМ) и SOFC с твердым электролитом.

На рис. 2 приведена схема системы тепло- и электроснабжения, в которой топливный элемент подключен к газовой магистрали и к городской электросети через защитные устройства.

Рисунок 2 –Схема системы тепло- и электроснабжения здания с топливным элементом «FP-100»

Это позволяет во внепиковые часы, когда нагрузка на топливный элемент ниже номинальной, направлять избыточную электроэнергию в городскую электросеть, т. е. в это время здание является не потребителем, а производителем электроэнергии. Такая схема позволяет использовать топливный элемент более эффективно.

В силу своей эффективности при малых мощностях установки на базе топливных элементов хорошо подходят для децентрализованного энергоснабжения и для совместного производства электроэнергии и тепловой энергии. Необходимость решать вопросы экологии и желание производить полезную энергию рационально и щадя окружающую среду дали толчок развитию различных технологий топливных элементов, в том числе и для мини-ТЭЦ.

Список источников

1. Томаров Г.В., Рабенко В.С., Буданов В.А. Мини-ТЭЦ на основе когенерационных технологий // Вестник ИГЭУ. 2008. - №2. - С. 26-30.

2. Синяк Ю. В. Перспективы применения водорода в системах децентрализованного электро- и теплоснабжения / Синяк Юрий Владимирович // Проблемы прогнозирования. 2007. - № 3. - С. 42 - 59

3. Жанбиршинов, Н. Т. Имитационное моделирование водородных топливных элементов в программном комплексе FLUENT / Н. Т. Жанбиршинов, А. В. Таранов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 13 (355). — С. 42-46. — URL: https://moluch.ru/archive/355/79447/ (дата обращения: 27.11.2022).

4. Топливный элемент: настоящее и будущее // Стройка Века URL: https://stroikaveka.org/vypusk3/toplivnyj-element-nastoyashhee-i-budushhee.html (дата обращения: 27.11.2022).

5. Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ // РосТепло URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=293 (дата обращения: 27.11.2022).