Топливный элемент как химический источник электроэнергии

       В низкотемпературных ТЭ для активации электродов используют катализаторы и дефицитные материалы. При увеличении рабочих температур возможно значительное снижение необходимого количества катализатора, а также применение для активации менее дефицитных материалов.

       В низкотемпературных элементах не удается использовать природные вида топлива: нефть и продукты ее переработки, уголь и природный газ (метан) из-за высокой поляризации. Проблема использования этих видов топлива решается по двум направлениям: путем применения высокотемпературных элементов и путем предварительной химической обработки топлива с целью получения электрохимически активных веществ.

       Для развития современных представлений  о работе ТЭ большое значение имели исследования Ф. Бэкона в области среднетемпературных (423-523 К) водородно-кислородных –щелочных систем. Однако в настоящее время работы в этом направлении практически прекращены из-за сложных коррозионных и конструктивных проблем  и сравнительно низких удельных характеристик среднетемпературных ЭХГ. В то же время продолжаются интенсивные исследования среднетемпературных ТЭ с кислым электролитом (серная, фосфорная кислоты), поскольку в них отсутствует проблема карбонизации электролита и могут быть использованы конвертированные водород и кислород воздуха.

       Принципиальным  преимуществом высокотемпературных ТЭ (рабочая температура более 573 К) является возможность окисления в них с приемлемыми скоростями дешевого топлива (углеводородов, спиртов, аммиака и т. п.) и кислорода воздуха. В качестве электролита в таких ТЭ используются расплавы карбонатов, а также смесь окислов циркония, кальция и иттрия в твердом состоянии. К сожалению, эти системы пока не поддаются технической реализации из-за высоких скоростей коррозии, трудностей с подбором материалов для изготовления электродов, конструктивных узлов, созданием электролита со стабильными характеристиками, отсутствия способа соединения твердых деталей, испытывающих термическое расширение.

       Выбор топлива (восстановителя) и окислителя для ТЭ определяется типом и назначением  ТЭ и предъявляемыми к нему требованиями. ЭДС, удельная мощность и энергия  ТЭ возрастает с увеличением потенциала окислителя в сторону положительных значений и потенциала восстановителя в сторону отрицательных значений. Удельная энергия ТЭ возрастает с увеличением удельной емкости (количества энергии, высвобождаемой при электрохимическом превращении единицы массы вещества) окислителя и восстановителя. Удельная мощность ТЭ в значительной степени зависит от электрохимической активности восстановителя и окислителя, т. е. скоростей их электрохимического превращения на электродах. Целесообразность использования того или иного реагента в ТЭ также зависит от стоимости и доступности этого реагента.

       При разработке электродов для различных  типов ТЭ необходимо учитывать особенности их эксплуатации. Как уже отмечалось, электродные процессы при работе ТЭ включают: диффузию реагирующих частиц к месту реакции; адсорбцию реагирующих частиц; электронный переход; промежуточные химические реакции; отвод продуктов реакции. Помимо обеспечения эффективного протекания всех упомянутых стадий электрод должен быть стабильным при длительной работе и хранении, обладать механическими свойствами, позволяющими использовать его в соответствующей конструкции. 

      4. Другие типы топливных  элементов

       Могут быть использованы и твердые электролиты  – вещества, обладающие ионной проводимостью, имеющие ионное строение. Перемещение ионов в них происходит из-за имеющихся в кристалле участков с минимумом потенциальной энергии (потенциальных ям), куда могут попадать колеблющиеся около своих положений равновесия ионы. В освободившийся узел кристаллической решетки (дефект) может перейти другой ион, соответственно ион передвинется на его место. С ростом температуры вероятность перехода ионов и дефектов в кристаллической решетке растет. При наложении электрического поля хаотическое движение ионов и дефектов принимает направленный характер: ионы и дефекты движутся в разных направлениях.

       Электролиты в таких ТЭ обладают приемлемой электрической  проводимостью лишь при 1200 К и выше, поэтому ТЭ с твердыми электролитами работают обычно при 1200-1300 К. В высокотемпературном ТЭ в качестве горючего может применяться не только водород, но и углеводороды, например метан или пропан. 

       5. История и направления  развития топливных  элементов

     Существуют  две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.

     Для автономного использования основными  являются удельные характеристики и  удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.

     Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.

     Наибольшие  выгоды сулит использование ТЭ в  автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива  экономия последнего составит порядка 50%.

     Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.

     После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.

     В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку  мощностью 5кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4МПа).

     С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.

     После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон». Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.

     Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и  военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.

     Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных  электродов. Электроды такого типа называют «Янус». Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.

     В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного  накопления энергии, например, получение  водорода. Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью. Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.

     Проблема  накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность 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 для больших количеств  газа.

     Первое  поколение ТЭ.

     Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого  поколения, работающие при температуре 200-230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).

     * Технический водород – продукт  конверсии органического топлива,  содержащий незначительные примеси  окиси углерода.

     Одна  таких электростанций введена в  строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2м и высотой около 5м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.

     Две электростанции на ТЭ США поставили  в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30-37% – это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния – от 4ч до 10мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15с.

     Сейчас  в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки  мощностью по 40кВт с коэффициентом  использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.

     Первая  топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5МВт, заняла территорию в 1,3га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций – 30 лет.

     Второе  и третье поколение ТЭ.

     Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся  модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С.Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:

• снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода;
• повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.

     Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура – до 1000°С.КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.

     Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25-200кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.

     В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju. 

     6. Применение топливных  элементов.

     Стационарные  приложения

• производство электрической энергии (на электрических станциях),
• аварийные источники энергии,
• автономное электроснабжение.

 

     Транспорт

• автомобильные топливные элементы Honda,
• электромобили, автотранспорт,
• морской транспорт,
• железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника,
• вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т. д.).

     Бортовое  питание

• авиация, космос,
• подводные лодки, морской транспорт.

 

     Мобильные устройства