Энергетика на топливных элементах
Топливные элементы (ТЭ), открытые более полутора столе-1ий назад, лишь в последние десятилетия нашли применение в промышленности. Простейший ТЭ состоит из двух электродов (анода и катода) и электролита. На аноде окисляется, т. е. отдает электроны, восстановитель (топливо), свободные электроны с анода поступают во внешнюю электрическую цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод – электролит. С другого конца внешней цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединения электронов окислителем – обычно кислородом). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду. Таким образом, в ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отгдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом. Для ускорения реакций в ТЭ, в целом полностью аналогичных хорошо известным реакциям горения, обычно используется также катализатор – платина, никель и др.
Энергетическая установка содержит батареи топливных элементов с соответствующими последовательно-параллельными схемами их соединения. 11ри этом в ТЭ оказываются сведены вместе три фазы физико-химической системы: газ (топливо, окислитель); жидкий электролит (проводник ионов); металлический электрод (проводник электронов).
Электроды, катализатор и электролит непосредственно в окислительно-восстановительной реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются (отравляются) примесями топлива и продуктов реакции. Особенно важно, что преобразование химической энергии топлива в электрическую происходит напрямую и теоретически почти без потерь. Главными побочными продуктами работы ТЭ являются вода (в случае органического топлива – также газообразные окислы) и тепло, которое также можно утилизировать в стандартных схемах теплоснабжения или турбоэлектрогенераторах. В результате суммарный КПД системы с ТЭ может достигать 90 % и более, в отличие от реальных КПД систем ТЭС и АЭС не более 50 %.
Одним из важных достоинств современных ТЭ является то, что они «всеядны», т. е. в принципе способны работать при поступлении к аноду любого восстановителя (топлива) – природного газа, синтетического газа, биогаза, продуктов газификации угля, метанола, дизельного топлива и т. д. Не менее важно то, что энергетические системы на ТЭ работают практически бесшумно, а выбросы вредных веществ (и соответственно неблагоприятные экологические последствия) оказываются, как правило, в сотни раз ниже, Чем при работе ТЭС. Наконец, ТЭ в принципе является обратимым элементом: при подводе к нему электроэнергии он может работать и в обратном режиме – например, разлагать воду для получения водорода.
В настоящее время на стадиях разработок и в коммерческом использовании при производстве электроэнергии находятся следующие типы топливных элементов:
• низкотемпературные ТЭ со щелочным электролитом или с твердополимерной ионообменной мембраной;
• среднетемпературные ТЭ с фосфорно-кислым электролитом;
• высокотемпературные ТЭ с расплавленным карбонатным электролитом или твердооксидным электролитом.
Низкотемпературные ТЭ с щелочным электролитом, благодаря их очень хорошим мощностным и весогабаритным характеристикам, применяются прежде всего в космической и военной технике. Однако из-за высокой стоимости и относительно небольшой долговечности сфера их использования в энергетике, видимо, пока останется ограниченной.
Средне-температурные фосфорно-кислотные ТЭ используются в стационарных энергетических установках малой мощности. Их первое поколение работает на водороде, природном газе либо жидком топливе, электролитом служит фосфорная кислота, заполняющая поры углеродной матрицы. Электроды также выполнены из углерода, а катализатором обычно является платина.
Одна из электростанций, работающая на ТЭ этого типа, введена в строй в Калифорнии в 1991 г., позже еще несколько таких станций запущено в Японии и других странах. Подобные станции малой мощности (200 кВт) поставляются американской корпорацией ОНСИ, причем при их установке на территории США правительство в рамках программ экологической поддержки оплачивает треть их стоимости. Удельные эксплуатационные расходы на подобных станциях в среднем оказываются на 25…40 % ниже, чем на обычных ТЭС сопоставимой мощности (при примерно таком же, что и у ТЭС, КПД).
В США, Канаде, ФРГ также испытываются небольшие теплофикационные установки на ТЭ подобного типа, причем в лучших образцах таких современных установок коэффициент использования топлива реально достигает 80 %.
Другой тип ТЭ работает при температурах 650…700 °С, причем аноды делают из никель-хромового композита, катоды – из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служат расплавы карбонатов щелочных металлов (лития и калия). Повышение температуры реакций снижает «отравляемость» катализатора и материала электродов окисью углерода и увеличивает эффективность процесса восстановления окислителя на катоде. С ‘читается, что повышение рабочей температуры ТЭ на расплавах карбонатов, которые активно разрабатываются в США, Японии, 11идерландах, позволит довести экономические показатели крупных электростанций на ТЭ для стационарной энергетики до величин, сопоставимых с обычными ТЭС.
Наконец, весьма перспективными считаются установки на ТЭ еще одной модификации: с электролитом из твердых оксидов металлов (обычно двуокиси циркония) с рабочей температурой око-ю 1000 °С и выше. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к ^0 %. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно то, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно достаточно эффективно использовать для производства пара, который поступает в стандартный турбоэлектрогенераторный цикл. За счет этого коэффициент использования топлива удается поднять еще выше.
