ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергиитоплива в электричество минуя малоэффективные, идущие сбольшими потерями, процессы горения. Это электрохимическоеустройство в результате высокоэффективного "холодного" горениятоплива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Биохимики установили, что биологическийводородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждуюживую клетку [9]. Источником водорода в организме с...Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергиитоплива в электричество минуя малоэффективные, идущие сбольшими потерями, процессы горения. Это электрохимическоеустройство в результате высокоэффективного "холодного" горениятоплива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Биохимики установили, что биологическийводородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждуюживую клетку [9]. Источником водорода в организме служит пища -- жиры, белкии углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она вконечноладывается до мономеров, которые, в свою очередь, послеряда химических превращений дают водород, присоединенный кмолекуле-носителю. Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие,соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесссоединения водорода с кислородом составляет основубиоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатнаятемпература, нормальное давление, водная среда), химическаяэнергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую(движение мышц), электричество (электрический скат), свет(насекомые излучающие свет). Человек в который раз повторил созданное природойустройство получения энергии. В то же время этот факт говорит орациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяютнадежду на энергетическое будущее. Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливногоэлемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуяразложение воды на водород и кислород он обнаружил побочныйэффект -- электролизер вырабатывал электрический ток. Что горит в топливном элементе? Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основномиз углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, аатомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессеокисления атомы углерода и кислорода соединяются в продуктыгорения -- молекулы углекислого газа. Этот процесс идетэнергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении,приобретают большие скорости, а это приводит к повышению ихтемпературы. Они начинают испускать свет -- появляется пламя. Химическая реакция сжигания углерода имеет вид: C + O2 = CO2 + тепло. В процессе горения химическая энергия переходит в тепловуюэнергию благодаря обмену электронами между атомами топлива иокислителя. Этот обмен происходит хаотически. Горение -- обмен электронов между атомами, а электрическийток -- направленное движение электронов. Если в процессехимической реакции заставить электроны совершать работу, тотемпература процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроныотбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдаютсвою энергию в виде электрического тока и присоединяются креагирующим веществам на другом. Основа любого ХИТ -- два электрода соединенныеэлектролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см.рис. p087) [10]. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны,восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анодапоступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются награнице анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепиэлектроны подходят к катоду, на котором идет реакциявосстановления (присоединение электронов окислителем O2--).Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду. В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химическойсистемы: газ (топливо, окислитель); электролит (проводник ионов); металлический электрод (проводник электронов). В ТЭ происходит преобразование энергииокислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем,процессы окисления и восстановления пространственно разделеныэлектролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, нов реальных конструкциях со временем загрязняются примесямитоплива. Электрохимическое горение может идти при невысокихтемпературах и практически без потерь. На рис. p087 показанаситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. внем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Такимобразом, ТЭ оказывается "всеядным". Усложняет использование ТЭ то, что для них топливонеобходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсииорганического топлива или газификации угля. Поэтому структурнаясхема электростанции на ТЭ, показанная на рис. p088, кромебатарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (смгл. 3.6) и вспомогательного оборудования включает блокполучения водорода. Два направления развития ТЭ Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большаяэнергетика. Для автономного использования основными являются удельныехарактеристики и удобство эксплуатации. Стоимостьвырабатываемой энергии не является основным показателем. Для большой энергетики решающим фактором являетсяэкономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными,не содержать дорогих материалов и использовать природноетопливо при минимальных затратах на подготовку. Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле.Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. Принепосредственном получении электроэнергии из топлива экономияпоследнего составит порядка 50%. Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике быласформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году.Позднее получила развитие идея создания эффективных источниковавтономной энергии на основе топливного элемента. После этого предпринимались неоднократные попыткииспользовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-егоды немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторныйпрототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодногоокисления угля. В это же время исследовалиськислородно-водородные ТЭ. В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первуюкислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она былагромоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4МПа). С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывалнизкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В нихиспользовались угольные электроды с платиновыми катализаторами.В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновыхкатализаторов. После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламныеобразцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космическихкораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками дляпитания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой итеплом. Основными областями использования автономных установок сТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годовобъем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возросприменительно к большой энергетике. Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухстороннихгазодифузионных электродов. Электроды такого типа называют"Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельноймощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водороднымэлементам проводит United Technology Corp. В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ длякрупномасштабного накопления энергии, например, получениеводорода (см. гл. 1). Возобновляемые источники энергии (солнцеи ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезноеиспользование, без которого в будущем не обойтись, немыслимобез емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или инойформе. Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные инедельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают ихэффективность и требуют так называемых маневренных мощностей.Один из вариантов электрохимического накопителя энергии --топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами(газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище длябольших количеств газа). Первое поколение ТЭ Наибольшего технологического совершенства достиглисреднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие притемпературе 200...230oС на жидком топливе, природном газе либона техническом водороде (технический водород -- продуктконверсии органического топлива, содержащий незначительныепримеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорнаякислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу.Электроды выполнены из углерода, а катализатором являетсяплатина (платина используется в количествах порядка несколькихграммов на киловатт мощности). Одна таких электростанций введена в строй в штатеКалифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батареймассой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чутьболее 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура заменыбатареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам. Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая изних была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационныепоказатели станции соответствовали расчетным. Она работала снагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% --это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска изхолодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительностьизменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с. Сейчас в разных районах США испытываются небольшиетеплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентомиспользования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, напунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали вобщей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистотаэлектростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно вгородах. Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций смощностью в два с половиной раза большей нужна площадкаразмером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационныхэлектростанций мощностью по 11 МВт. Поражают срокистроительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемаяэлектростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций --30 лет. Второе и третье поколение ТЭ Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиесямодульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературнымитопливными элементами второго поколения. Они работают притемпературах 650...700oС. Их аноды делают из спеченных частицникеля и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия,а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.Повышенная температура помогает решить две крупныеэлектрохимические проблемы: снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода; повысить эффективность процесса восстановления окислителяна катоде. Еще эффективнее будут высокотемпературные топливныеэлементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов(в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до1000oС. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь вкачестве топлива пригодны и продукты газификации твердого углясо значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, чтосбросовое тепло высокотемпературных установок можноиспользовать для производства пара, приводящего в движениетурбины электрогенераторов. Фирма Vestingaus занимается топливными элементами натвердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановкимощностью 25...200 кВт, в которых можно использоватьгазообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниямэкспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт.Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливныеэлементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорнойкислотой в качестве электролита. В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире.Американская United Technology и японская Toshiba образоваликорпорацию International Fuel Cells. В Европе топливнымиэлементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциумElenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat,английская Jonson Metju.