Топливные элементы: назначение, классификация.

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.

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %)

КПД, определённый по теплоте химической реакции, может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды[2]. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

 

Твердотельные оксидные топливные элементы

Твердоокси́дные (твердоо́кисные) то́пливные элеме́нты— разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (напр., на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода. Эти элементы работают при очень высокой температуре (700 °C — 1000 °C) и применяется в основном для стационарных установок мощностью от 1 кВт и выше. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия газовой турбины, чтобы повысить КПД (коэффициент полезного действия) установки. КПД такой гибридной установки может достигать 70 %.

В этих топливных элементах ионы кислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина (в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане, бутане, биогазе. Сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов. Сера может и не удаляться из топлива, но тогда необходимо будет повысить рабочую температуру (не менее 700 °C).

Область применения:

Ø Крупные стационарные установки мощностью 1 МВт и выше.

Ø Бытовые стационарные установки мощностью 100 Вт — 10 кВт.

Ø Установки для бортового электропитания транспорта (например, автомобильные рефрижераторы) мощностью 5 кВт.

Ø Силовые установки водного транспорта.

 

 

 

Твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ) (ТОТЭ)

Эти элементы работают при относительно низкой температуре (около 90°С), имеют высокую плотность энерговыделения, могут быстро изменять выходную мощность для удовлетворения меняющейся потребности в энергии и подходят для работы в таких условиях, где требуется быстрый запуск, например в автомобилях. В качестве топлива они могут использовать как водород, так и метанол. Согласно заявлению Министерства энергетики США, "они являются первыми кандидатами на использование в транспортных средствах малой грузоподъемности, для обеспечения зданий электроэнергией и теплом и в качестве источников энергии для портативных электронных устройств: мобильных телефонов и ноутбуков".

 

Производство водорода

Производство водорода

Один из его источников - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д.

При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н₂.

Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем - синтез-газ.

Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем.

В результате образуются углекислый газ, водород и окись углерода.

Дальше идет каталитическая очистка,электрохимическая конверсия и т.д.

Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока.

Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Способы хранения водорода

Низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода – именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики в настоящее время.

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы:

Физические методы хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

- газовые баллоны;

- стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;

- хранение в трубопроводах;

- стеклянные микросферы.

Жидкий водород:

-стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

Химические методы хранения водорода:

Адсорбционные:

-цеолиты и родственные соединения;

-активированный уголь;

-углеводородные наноматериалы.

Абсорбция в объёме материала (металлогидриды)

-алонаты;

-фуллерены и органические гидриды;

-аммиак;

-губчатое железо;

-водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Хранение газообразного водорода. Применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары

(водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами.

Хранение газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины. Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 Мпа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками.

Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из нержавеющей стали Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%.

Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа. Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг Н₂ требуются баллоны массой 33 кг. Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали.

Рабочее давление в них обычно не превышает 10 МПа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь

в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного до сотен мегапаскаль, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

Для хранения очень больших количеств водорода экономически эффективным является

способ хранения истощённых газовых и водоносных пластах. В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа. Газообразный водород в очень больших количествах хранится в соляных кавернах глубиной 365 м при давлении водорода 5 МПа.

Опыт продолжительного хранения (более 10 лет) в подземных газохранилищах газа с

содержанием 50 % водорода показал полную возможность его хранения без заметных утечек.

Хранение жидкого водорода. Среди многих свойств водорода, которые важно учитывать при его хранении в жидком виде, одно является особенно важным.

Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К.

Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м³.