Топливные элементы – перспективный вид энергопроизводящего оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ВИД ЭНЕРГОПРОИЗВОДЯЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

А.В. Чемезов

кандидат технических наук, доцент

Институт систем энергетики

им. Л.А. Мелентьева СО РАН,

О.М. Стефановская

Иркутский национальный исследовательский

технический университет

Для современного мира характерна нарастающая нехватка топлива и ухудшающаяся экологическая обстановка. В большинстве регионов развитых стран использование энергетических установок на основе топливных элементов является одним из выходов из сложившейся ситуации при уменьшении энергетической и экологической напряженности.

Ключевые слова: топливный элемент; водород; энергоснабжение; эффективность.

FUEL CELLS IS A PROMISING TYPE OF ENERGY-PRODUCING EQUIPMENT

A. Chemezov, O. Stefanovskaya, Irkutsk National Research Technical University

The modern world is characterized by an increasing shortage of fuel and deteriorating environmental conditions. In most regions of developed countries, the use of fuel cell-based power plants is one of the ways out while reducing energy and environmental tension.

Keywords: fuel cell; hydrogen; power supply; efficiency.

Топливный элемент - электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне [1], в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (водорода или алюминия) в электричество, минуя малоэффективные, происходящие с большими потерями процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Топливные элементы - перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи - снижения стоимости - этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения [2].

Основными компонентами топливного элемента являются:

- анод, в котором осуществляется окисление водорода;

- катод, где происходит восстановление кислорода;

- полимерная электролитная мембрана, через которую осуществляется транспорт протонов или гидроксид-ионов (в зависимости от среды), - она не пропускает водород и кислород;

- поля течения кислорода и водорода, которые ответственны за доставку этих газов к электроду.

История создания топливных элементов начинается с 30-х годов XIX века, когда первый водородный топливный элемент был сконструирован Уильямом Р. Гроувом. Этот элемент использовал серную кислоту в качестве электролита. У. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность. Он заметил, что под действием электронного тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия У. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн, химик из Университета Базеля, в 1839 году одновременно продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита. Эти первые попытки хотя и были по сути своей достаточно примитивными, но привлекли внимание нескольких современников, включая Майкла Фарадея.

Исследования в области топливных элементов продолжались, и в 1930-х годах Ф.Т. Бейкон внес новый компонент в щелочной топливный элемент (один из видов топливных элементов) - ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов.

Одним из самых знаменитых исторических примеров применения щелочных топливных элементов является их использование в качестве главного источника энергии во время космических полетов в рамках программы «Аполлон».

В течение почти двух веков с момента создания первого прототипа топливного элемента была проведена значительная работа по их усовершенствованию. В целом конечная энергия, получаемая от топливного элемента, находится в зависимости от кинетики окислительно-восстановительной реакции, внутреннего сопротивления элемента и переноса масс реагирующих газов и ионов на каталитически активные компоненты. За многие годы в изначальную идею была привнесена масса улучшений, таких как:

1) замена платиновых проводов на электроды на основе углерода с наночастицами платины;

2) изобретение мембран высокой проводимости и селективности, таких как Nafion, для облегчения ионного транспорта;

3) совмещение каталитического слоя, например наночастиц платины, распределенных по углеродной основе, с ионообменными мембранами, в результате чего получился мембранно-электродный блок с минимальным внутренним сопротивлением;

4) использование и оптимизация полей течения для доставки водорода и кислорода на каталитическую поверхность, вместо того чтобы напрямую разбавлять их в растворе.

Эти и другие улучшения в конечном итоге позволили получить технологию, достаточно эффективную, чтобы ее можно было применять непосредственно в автотранспорте.

Для того чтобы питать энергией, к примеру, автомобиль, несколько топливных элементов собираются в батарею, и количество энергии, поставляемое этой батареей, зависит от общей площади электродов и числа элементов в ней. Энергия в топливном элементе генерируется следующим образом: водород окисляется на аноде, и электроны от него направляются к катоду, где восстанавливается кислород. Электроны, полученные от окисления водорода на аноде, имеют более высокий химический потенциал, чем электроны, которые восстанавливают кислород на катоде. Эта разница между химическими потенциалами электронов позволяет извлекать энергию из топливных элементов.

Особенностью энергетических установок на основе топливных элементов является использование принципа прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, при котором минуются традиционные стадии преобразования энергии. Благодаря этому экономичность таких энергоустановок почти вдвое выше, чем традиционных, и КПД может достигать от 70 до 85 % с учетом утилизации тепла. Количество вредных выбросов почти в 100 раз ниже, чем при использовании традиционных энергоустановок, из-за отсутствия непосредственного химического контакта топлива с окислителем [2].

В отличие от двигателей внутреннего сгорания или турбин, работающих на угле или газе, топливные элементы не сжигают топливо. Они преобразовывают его химическую энергию в электричество при помощи химической реакции. Поэтому топливные элементы не производят большого количества парниковых газов, выделяющихся при сгорании топлива, таких как двуокись углерода (CO2), метан (CH4) и окись азота (NOx). Выбросы из топливных элементов представляют собой воду в форме пара и небольшое количество двуокиси углерода (или же выбросов CO2 нет вообще), если в качестве топлива для элементов используется водород. Кроме того, топливные элементы работают бесшумно, потому что они не включают шумные роторы высокого давления и при их эксплуатации отсутствуют шумы выхлопных газов и вибрация [5].

По сравнению с обычными источниками энергии, такими как двигатели внутреннего сгорания или аккумуляторы, топливные элементы имеют следующие преимущества:

* имеют более высокую эффективность;

* большинство из них работает бесшумно;

* не приводят к загрязнению, вызываемому сжигаемым ископаемым топливом;

* при их использовании парниковый газ не выделяется на протяжении всего цикла;

* не зависят от энергосетей, так как водород может производиться в любом месте, где есть вода и электроэнергия и может распределяться производимое топливо;

* при применении стационарных топливных элементов для производства энергии в точке потребления можно использовать децентрализованные энергосети, которые потенциально являются более стабильными;

* топливные элементы с более высокой температурой производят высококачественную технологическую тепловую энергию вместе с электричеством, и они хорошо подходят для когенерации (такой как совместное производство тепловой и электрической энергии для жилых домов);

* работают значительно дольше, так как для увеличения времени работы требуется только большее количество топлива, а в повышении производительности установки нет необходимости [4].

На сегодняшний день практически во всех промышленно развитых странах существуют национальные программы или разработки, связанные с развитием энергетики на топливных элементах.

Очевидно, что за топливными элементами будущее данной отрасли. Водород будет питать двигатели автомобилей, небольшие топливные батареи будут обеспечивать теплом и светом частные домохозяйства, они же будут встроены в портативную электронику. Но многочисленные преимущества топливных элементов не могут в настоящее время перевесить их единственный недостаток - высокую стоимость. Так, в США удельные капитальные затраты на сооружение энергоустановки даже с наиболее конкурентоспособными топливными элементами составляют примерно 3500 долл./кВт. И хотя правительство предоставляет субсидию в размере 1000 долл./кВт, чтобы стимулировать спрос на эту технологию, стоимость сооружения таких объектов остается достаточно высокой, особенно при сопоставлении с капитальными затратами на строительство мини-ТЭЦ с газотурбинной установкой или с двигателями внутреннего сгорания мегаваттного диапазона мощности, которые составляют примерно 500 долл./кВт [3].

Таким образом, топливные элементы - это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи - снижения стоимости - этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения.

топливный элемент энергетический

Библиографический список

1. Конюхов В.Ю., Чемезов А.В., Федчишин В.В., Суслов К.В., Кычкин А.А., Кычкина Е.А., Зимина Т.И., Шамарова Н.А., Данилова А.С., Беляевская Т.С. Управление эффективностью инновационно-инвестиционных проектов в области охраны труда промышленных предприятий. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. 189 с.

2. Суслов К.В., Конюхов В.Ю., Субанова Н.В. Экономика и электроэнергетика - две вершины развития России // Информатизация и виртуализация экономической и социальной жизни: Мат-лы II Межвузовской студенческой научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: ИРНИТУ, 2017. С. 76-81.

3. Конюхов В.Ю., Каймонова О.О. Анализ энергетической отрасли в Иркутской области: снижение энергопотребления как индикатора состояния промышленности // Технико-экономические проблемы развития регионов: Мат-лы научно-практической конференции с международным участием. 2016. С. 232-236.

4. Романов И.Д., Чернышов Е.А., Романова Е.А. Развитие энергетических установок на основе твердооксидных топливных элементов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10-1. С. 38-42.

5. Давтян O.K. Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую. М.: Изд-во АН СССР, 1947. 150 с.

Размещено на Allbest.ru