|
Рис. 12.3. Принцип действия топливного элемента
293
Попадающий в элемент водород разлагается под действием катали-
затора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H
+
.
Специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной
батарейке, пропускает через себя протоны, но задерживает электроны.
Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избы-
точный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный
заряд на катоде. Если включить элемент в нагрузку, то электроны поте-
кут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления во-
дорода кислородом. В качестве катализатора в таких ТЭ, как правило,
применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное во-
локно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает
газ и электричество. Мембрана обычно изготавливается из серосодер-
жащего полимера нафиона. Толщина мембраны составляет десятые до-
ли миллиметра.
Имеются и другие типы топливных элементов, отличающиеся ти-
пом применяемого электролита (рабочего тела) и источником водорода
(видом топлива):
1)
твердополимерные водород-кислородные электролитные;
2)
твердополимерные метанольные;
3)
на щелочном электролите;
4)
фосфорно-кислотные;
5)
на расплавленных карбонатах;
6)
твердооксидные.
По рабочей температуре ТЭ подразделяются на низкотемператур-
ные, среднетемпературные (200–250 °C) и высокотемпературные. Каж-
дый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Например,
у ТЭ с рабочей температурой 650–700 °C большая эффективность вос-
становления окислителя на катоде, меньшая «отравляемость» катализа-
тора окисью углерода.
В качестве окислителей в ТЭ могут использоваться воздух, пере-
кись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т. д.
Несмотря на то что впервые электрическая энергия с помощью то-
пливных элементов была получена еще в 1839 г., активные разработки в
этой области начались лишь в конце 1950-х – начале 1960-х гг. в связи с
началом освоения космоса. В 60-е гг. в США созданы ЭХГ мощностью
до 1 кВт для космических программ «Джемини» и «Аполлон», в
70–80-е гг. – 10-киловаттные ЭХГ для космических челноков – «шатт-
лов». В СССР в эти же годы разработаны ЭХГ на основе щелочных ТЭ
мощностью 1,2 кВт для лунной программы, мощностью 10 кВт – для
программы «Буран». Десятки академических и отраслевых институтов,
НПО и КБ у нас и еще большие силы в США были вовлечены в реше-
294
ние задачи надежного энергообеспечения космической техники и под-
водного флота.
Одновременно с этим стали вырисовываться перспективы исполь-
зования ЭХГ на транспорте, в автономной и большой энергетике благо-
даря ряду достоинств.
1.
Высокая эффективность – при использовании только электриче-
ской энергии КПД установки составляет 30–50 %; при когенера-
ции КПД может достигать 90 %, поскольку для топливных эле-
ментов нет термодинамического ограничения КПД.
2.
Доступность и приемлемая стоимость топлива – в стационарных
ТЭ обычно используется природный газ (необходимый для рабо-
ты водород вырабатывается из топлива непосредственно в ТЭ);
кроме природного газа может использоваться чистый водород и
любое водородсодержащее сырье.
3.
Экологичность – при использовании в качестве топлива чистого
водорода продуктом реакции является только вода (водяной пар);
при использовании других видов топлива выделение других газов
(в основном оксидов углерода и азота) незначительно.
4.
Масштабируемость – в отличие, например, от двигателей внут-
реннего сгорания, КПД топливных элементов остается постоян-
ным в любом диапазоне вырабатываемой мощности; малые уста-
новки столь же эффективны, как и большие; мощность установок
может быть увеличена простым добавлением отдельных элемен-
тов.
5.
Доказанная на практике возможность доведения надежности и
долговечности до требуемого в электроэнергетике уровня.
6.
Низкий уровень шума при работе.
7.
Простота эксплуатации – топливные элементы практически не
нуждаются в обслуживании.
8.
Возможность размещения ЭХГ непосредственно на обслуживае-
мом объекте, что снижает потери на транспортировку энергии и
дает возможность использования установок в качестве аварийных
источников энергии.
Широкому распространению ЭХГ препятствует главным образом
их высокая стоимость, которая в настоящее время составляет в среднем
2–3 тыс. долл. за 1 кВт. Она обусловлена тем, что кроме самого ТЭ –
устройства достаточно дорогостоящего – в состав электростан-
ции/накопителя входит множество вспомогательных устройств, таких
как насосы, компрессор для подачи воздуха и напуска водорода, увлаж-
нитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов и др.
Если ЭХГ выдаёт энергию не в аккумуляторную батарею, а непосредст-
295
венно в ЭЭС, то требуется преобразователь постоянного тока в пере-
менный, управляющий процессор и др. Согласно оценке экспертов,
ЭХГ станут доступными для применения в электроэнергетике при цене
0,5–1,0 тыс. долл/кВт.
Ряд компаний-производителей уже объявили о возможном дости-
жении таких показателей в скором времени. Основные технические ха-
рактеристики ТЭ представлены в табл. 12.2 [51]. В создание ТЭ включа-
ется все больше фирм во всем мире.
Таблица 12.2
Do'stlaringiz bilan baham: |
