Топливные элементы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Топливные элементы (топливные ячейки)

Топливный элемент - это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.

Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. Правильный термин для описания работающего топливного элемента - это система элементов, так как для полноценной работы требуется наличие некоторых вспомогательных систем.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

2. Принцип работы топливных элементов

Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород - на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.

Таблица 1

Установки переносного класса (до 1 кВт)

Бытовая электроника и средства связи

Область применения:

Источники предназначены исключительно для областей применения, связанных с досугом и отдыхом. Они служат источниками электрического тока для устройств, установленных в передвижных домах, в трейлерах, на парусных лодках и в дачных коттеджах - тихие, надёжные и полностью автоматические.

Установки малого класса (до 50 кВт)

Область применения:

Беспроводная телекоммуникация

Сети связи и передачи данных

Системы безопасности

Установки среднего класса (до 1 МВт)

Область применения:

Промышленные, городские и коммунальные объекты

Предприятия

Холодильные склады

Офисы

Телекоммуникационные центры

Супермаркеты и торговые сети

Спортивные сооружения

Объекты в экологически чистых районах

Объекты, удалённые от инфраструктуры газовых и электрических сетей

Объекты, которые не могут получить энергоресурса в связи с ограничением условий и лимитов на объемы газа и энергии в данных местах

Объекты скрытого базирования

Автономных объекты, здания и сооружения с большим и неравномерным автономным энергопотреблением

Коммунально-бытовое отопление и электрогенерация

На твердооксидных топливных элементах (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.

3. Сравнительный анализ типов топливных элементов (топливных ячеек)

Инновационные энергосберегающие коммунально-бытовые теплоэнергетические установки обычно базируются на применении следующих типов топливных элементов:

твердооксидные топливные элементы (ТОТЯ)

полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЯ)

топливные элементы на фосфорной кислоте (ФКТЯ)

топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЯ)

щелочные топливные элементы (ЩТЯ)

Наиболее подходящими следует признать твердооксидные топливные элементы (ТОТЯ), которые:

работают при более высокой температуре, что уменьшает необходимость в дорогих драгоценных металлах (таких, как платина)

могут работать на различных видах углеводородного топлива, в основном на природном газе

имеют большее время запуска и потому лучше подходят для длительного действия

демонстрируют высокую эффективность выработки электроэнергии (до 70%). электроэнергия топливный коммунальный бытовой

из-за высоких рабочих температур установки могут быть скомбинированы с системами обратной теплоотдачи, доводя общую эффективность системы до 85%

имеют практически нулевой уровень выбросов, работают бесшумно и предъявляют низкие требованиями к эксплуатации в сравнении с существующими технологиями выработки электроэнергии

Поскольку малые теплоэнергетические установки могут подключаться к обычной сети подачи газа, топливные элементы не требуют отдельной системы подачи водорода. При использовании малых теплоэнергетических установок на основе твердооксидных топливных элементов вырабатываемое тепло может интегрироваться в теплообменники для нагрева воды и вентиляционного воздуха, увеличивая общую эффективность системы. Эта инновационная технология наилучшим образом подходит для эффективной выработки электричества без необходимости в дорогой инфраструктуре и сложной интеграции приборов.

Установки большого класса (свыше 1 МВт)

Более чем 35-летний опыт лег в основу создания мощных инновационных стационарных установок выработки электроэнергии на основе карбонатных топливных элементов. В результате многих лет исследований и инвестиций существующие установки на сегодняшний день выработали более 200 млн. киловатт-часов электроэнергии на более чем 50-ти станциях по всему миру.

На сегодняшний день на международные рынки США и Европы уже выведены инновационные электростанции на топливных элементах огромной линейки по мощностям, до нескольких мегаватт в одном блоке.

Установки были созданы в рамках программы разработки инновационных экологически чистых, конкурентоспособных топливных элементов для удовлетворения различных потребностей в электроэнергии, включая чистые большие центральные станции для генерации электроэнергии на угольном топливе. Цели программы включают разработку силовой установки на топливных элементах мегаваттного класса и системы поддержания баланса для эксплуатации на синтезированном газе на угольной основе, удаляя более 90% углерода. Программа также нацелена на оптимизацию энергосберегающего исполнения станции и разработку инновационных технологий топливных элементов для повышения производительности и сокращения расходов.

Теплоэнергетические установки на карбонатных топливных элементах идеально подходят для широкого спектра рынков и сфер применения, охватывая промышленных и коммунальных потребителей. Они могут вырабатывать рациональную, надежную, экономическую энергию там, где это необходимо, - без выбросов, наносящих вред окружающей среде. Используя модульную конфигурацию, теплоэнергетические установки на карбонатных топливных элементах производят надежную энергию на месте, соответствующую установленным требованиям от 0,3 МВт до более 30 МВт в местах использования нескольких модулей. Свыше 60 установок на карбонатных топливных элементах работают в мире. Они зарекомендовали себя на практике, производя надежную и экономичную энергию.

Теплоэнергетические установки на карбонатных топливных элементах используют технологию, которая работает при высоких температурах и позволяет использовать природный газ без внешней системы реформинга. Реформинг углеводородного топлива в водород происходит непосредственно в батареях топливных элементов.

Непосредственный реформинг газообразного топлива внутри батареи топливных элементов представляет собой менее сложный процесс, что делает его менее дорогостоящим по сравнению с другими типами топливных элементов с более низкими рабочими температурами, которые должны осуществлять внешний реформинг топлива во внешних установках.

Еще одним преимуществом высокотемпературных топливных элементов является то, что они производят высококачественное отработавшее тепло для производства горячей воды и пара.

Некоторые характеристики и преимущества теплоэнергетических установок на карбонатных топливных элементах:

Рациональность: Производится больше электрической энергии при использовании меньшего количества топлива с высоким КПД 47%. Данный тип установко имеет наилучший КПД в классе своего размера.

Экологичность: в атмосферу выделяется небольшое количество CO2 и практически равное нулю количество загрязняющих веществ, что позволяет располагать установки в тех регионах, где ограничения выбросов запрещают использовать традиционные технологии производства энергии.

Бесшумность: Установки работают практически незаметно, что делает их пригодными для использования почти во всех местах.

Надежность: Конструкция установок обеспечивает высокий уровень надежности и длительный срок службы в практически необслуживаемом режиме.

Экономия топлива: Установки производит больше электроэнергии, чем другие системы распределенного производства энергии при таких же затратах топлива и представляет дополнительную ценность при использовании в комбинированном производстве электроэнергии и тепла.

Простота: Мониторинг системы топливных элементов в режиме реального времени посредством Интернета или других систем телекоммуникации.

Универсальность: Установки работают на широком ассортименте видов топлива для использования в широком диапазоне сфер применения. Их конструкция позволяет осуществить установку в ряде мест, включая промышленные, коммерческие и коммунальные объекты. Модульная конструкция позволяет соединять между собой несколько блоков для увеличения в разы выходной мощности.

Комбинированное производство: Комбинированное производство электроэнергии и тепла, которое можно использовать для производства горячей воды, пара высокого давления или охлаждения с абсорбционными холодильниками.

Размещено на Allbest.ru