Паливні
елементи
Віктор Лаврус
Паливні
елементи відносяться до хімічних джерел струму. Вони здійснюють пряме
перетворення енергії палива в електрику минаючи малоефективні, що йдуть з
великими втратами, процеси горіння. Це електрохімічний пристрій в
результаті високоефективного «холодного» горіння палива безпосередньо
виробляє електроенергію.
Біохіміки
встановили, що біологічний воднево-кисневий паливний елемент «вмонтований»
в кожну живу клітину (див. гл.2).
Джерелом
водню в організмі служить їжа - жири, білки і вуглеводи. У шлунку,
кишечнику, клітинах вона в кінцевому рахунку розкладається до мономерів, які, в
свою чергу, після ряду хімічних перетворень дають водень, приєднаний до
молекулі-носія.
Кисень з
повітря потрапляє в кров через легені, з'єднується з гемоглобіном і розноситься
по всіх тканинах. Процес з'єднання водню з киснем становить основу
біоенергетики організму. Тут, в м'яких умовах (кімнатна температура,
нормальний тиск, водне середовище), хімічна енергія з високим ККД
перетвориться в теплову, механічну (рух м'язів), електрику
(електричний скат), світло (комахи випромінюють світло).
Людина в
вкотре повторив створене природою пристрій одержання енергії. У той же
час цей факт говорить про перспективність напрямку. Всі процеси в природі
дуже раціональні, тому кроки з реального використання ТЕ вселяють надію
на енергетичне майбутнє.
Відкриття в 1838
році воднево-кисневого паливного елементу належить англійському вченому
У. Гров. Досліджуючи розкладання води на водень і кисень він виявив побічний
ефект - електролізер виробляв електричний струм.
Що горить в
паливному елементі?
Горючі корисні копалини
(вугілля, газ і нафта) складається в основному з вуглецю. При спалюванні атоми палива
втрачають електрони, а атоми кисню повітря набувають їх. Так в процесі
окислення атоми вуглецю і кисню з'єднуються в продукти горіння - молекули
вуглекислого газу. Цей процес йде енергійно: атоми і молекули речовин,
беруть участь у горінні, здобувають великі швидкості, а це призводить до підвищення
їх температури. Вони починають випромінювати світло - з'являється полум'я.
Хімічна
реакція спалювання вуглецю має вигляд:
C + O2 = CO2 + тепло
У процесі
горіння хімічна енергія переходить у теплову енергію завдяки обміну
електронами між атомами палива та окислювача. Цей обмін відбувається
хаотично.
Горіння - обмін
електронів між атомами, а електричний струм - спрямований рух
електронів. Якщо в процесі хімічної реакції змусити електрони здійснювати
роботу, то температура процесу горіння буде знижуватися. У ТЕ електрони
відбираються у реагуючих речовин на одному електроді, віддають свою енергію у вигляді
електричного струму і приєднуються до реагує речовин на іншому.
Основа будь-якого
ХІТ - два електроди з'єднані електролітом. ТЕ складається з анода, катода і
електроліту (див. гл.2). На аноді окислюється, тобто віддає електрони,
відновник (паливо CO або H2), вільні електрони з анода
надходять в зовнішню ланцюг, а позитивні іони утримуються на кордоні
анод-електроліт (CO +, H +). З іншого кінця ланцюга електрони
підходять до катода, на якому йде реакція відновлення (приєднання
електронів окислювачем O2-). Потім іони окислювача переносяться
електролітом до катода.
В ТЕ разом
зведені разом три фази фізико-хімічної системи:
газ (паливо,
окислювач);
електроліт
(провідник іонів);
металевий
електрод (провідник електронів).
В ТЕ відбувається
перетворення енергії окислювально-відновної реакції в електричну,
причому, процеси окислення та відновлення просторово розділені
електролітом. Електроди і електроліт в реакції не беруть участі, але в реальних
конструкціях з часом забруднюються домішками палива. Електрохімічне
горіння може йти при невисоких температурах і практично без втрат. На рис.
p087 показана ситуація в якій у ПЕ надходить суміш газів (CO і H2),
тобто в ньому можна спалювати газоподібне паливо (див. гл.1). Таким чином, ТЕ виявляється
«Всеїдним».
Ускладнює
використання ТЕ те, що для них паливо необхідно «готувати». Для ТЕ отримують
водень шляхом конверсії органічного палива або газифікації вугілля. Тому
структурна схема електростанції на ТЕ, крім батарей ТЕ, перетворювача
постійного струму в змінний (см гл. 3) і допоміжного обладнання
включає блок одержання водню.
Два напрямки
розвитку ТЕ
Існують два
сфери застосування ТЕ: автономна і велика енергетика.
Для автономного
використання основними є питомі характеристики і зручність
експлуатації. Вартість виробленої енергії не є основним
показником.
Для великої
енергетики вирішальним фактором є економічність. Крім того, установки
повинні бути довговічними, не містити дорогих матеріалів і використовувати
природне паливо при мінімальних витратах на підготовку.
Найбільші
вигоди обіцяє використання ТЕ в автомобілі. Тут, як ніде, позначиться
компактність ТЕ.Прі безпосередньому отриманні електроенергії з палива
економія останнього складе близько 50%.
Вперше ідея
використання ТЕ у великій енергетиці була сформульована німецьким вченим
В. Освальдом в 1894 році. Пізніше отримала розвиток ідея створення ефективних
автономної джерел енергії на основі паливного елементу.
Після цього
робилися неодноразові спроби використовувати вугілля як активний
речовини в ТЕ.В 30-і роки німецький дослідник Е. Бауер створив лабораторний
прототип ТЕ з твердим електролітом для прямого анодного окислення вугілля. В цей
же час досліджувалися киснево-водневі ТЕ.
У 1958 році в
Англії Ф. Бекон створив перший киснево-водневу установку потужністю 5кВт. Але
вона була громіздкою через використання високого тиску газів (2 ... 4МПа).
З 1955 року в
США К. Кордеш розробляв низькотемпературні киснево-водневі ТЕ.В них
використовувалися вугільні електроди з платиновими каталізаторами. У Німеччині
Е. Юст працював над створенням неплатінових каталізаторів.
Після 1960
були створені демонстраційні і рекламні зразки. Перше практичне застосування
ТЕ знайшли на космічних кораблях «Аполлон». Вони були основними
енергоустановки для живлення бортової апаратури і забезпечували космонавтів
водою і теплом.
Основними
областями використання автономних установок з ТЕ були військові і військово-морські
застосування. Наприкінці 60-х років обсяг досліджень з ТЕ скоротився, а після
80-х знову зріс стосовно до великої енергетиці.
Фірмою VARTA
розроблені ПЕ з використанням двосторонніх газодіфузіонних електродів.
Електроди такого типу називають «Янус». Фірма Siemens розробила електроди з
питомою потужністю до 90Вт/кг. У США роботи з киснево-водневим елементам
проводить United Technology Corp.
У великій
енергетиці дуже перспективно застосування ТЕ для великомасштабного накопичення
енергії, наприклад, одержання водню (див. гл. 1). Відновлювальні джерела
енергії (сонце і вітер) відрізняються розосередження (см гл. 4). Їх серйозне
використання, без якого в майбутньому не обійтися, немислимо без ємних
акумуляторів, запасаючих енергію в тій чи іншій формі.
Проблема
накопичення актуальна вже сьогодні: добові і тижневі коливання навантаження
енергосистем помітно знижують їх ефективність і вимагають так званих
маневрених потужностей. Один з варіантів електрохімічного накопичувача енергії
- Паливний елемент в поєднанні з електролізером і газгольдерах *.
* Газгольдер
[газ + англ. holder утримувач] - сховище для великої кількості газу.
Перше
покоління ТЕ
Найбільшого
технологічного досконалості досягли середньотемпературні ТЕ перших
покоління, що працюють при температурі 200 ... 230 ° С на рідкому паливі, природному
газі або на технічному водні *. Електролітом в них є фосфорна
кислота, яка заповнює пористу вуглецеву матрицю. Електроди виконані з
вуглецю, а каталізатором є платина (платина використовується в кількостях
порядку декількох грамів на кіловат потужності).
* Технічний
водень - продукт конверсії органічного палива, що містить незначні
домішки окису вуглецю.
Одна таких
електростанцій введена в дію в штаті Каліфорнія 1991 році. Вона складається з
вісімнадцяти батарей масою по 18 т кожна і розміщується в корпусі діаметром
трохи більше 2м і висотою біля 5м. Продумана процедура заміни батареї за допомогою
рамної конструкції що рухається по рейках.
Дві
електростанції на ТЕ США поставили до Японії. Перша з них була пущена ще в
початку 1983 року. Експлуатаційні показники станції відповідали
розрахунковим. Вона працювала з навантаженням від 25 до 80% від номінальної. ККД досягав
30 ... 37% - це близько до сучасним великим ТЕС.Время її пуску з холодного
стану - від 4ч до 10мин., а тривалість зміни потужності від нульової
до повної складає всього 15с.
Зараз в різних
районах США випробовуються невеликі теплофікаційні установки потужністю по
40кВт з коефіцієнтом використання палива близько 80%. Вони можуть нагрівати воду
до 130 ° С і розміщуються в пралень, спортивних комплексах, на пунктах зв'язку та
т.д. Близько сотні установок вже пропрацювали в цілому сотні тисяч годин.
Екологічна чистота електростанцій на ТЕ дозволяє розміщувати їх
безпосередньо в містах.
Перша
паливна електростанція в Нью-Йорку, потужністю 4,5 МВт, зайняла територію в
1,3 га. Тепер для нових станцій з потужністю в два з половиною рази більшою
потрібен майданчик розміром 30x60м. Будуються кілька демонстраційних
електростанцій потужністю по 11МВт. Вражають строки будівництва (7 місяців) і
площа (30х60м), займана електростанцією. Розрахунковий термін служби нових
електростанцій - 30 років.
Друге і
третього покоління ТЕ
Кращими
характеристиками володіють вже проектуються модульні установки потужністю 5
МВт з середньотемпературних паливними елементами другого покоління. Вони
працюють при температурах 650 ... 700 ° С. Їх аноди роблять з спечених частинок
нікелю і хрому, катоди - з спеченого і окисленого алюмінію, а електролітом
служить розплав суміші карбонатів літію та калію. Підвищена температура допомагає
вирішити дві великі електрохімічні проблеми:
знизити
«Отравляемость» каталізатора окисом вуглецю;
підвищити
ефективність процесу відновлення окислювача на катоді.
Ще ефективніше
будуть високотемпературні паливні елементи третього покоління з електролітом
з твердих оксидів (в основному двоокису цирконію). Їх робоча температура - до
1000 ° С. ККД енергоустановок з такими ТЕ близький до 50%. Тут як паливо
придатні і продукти газифікації твердого вугілля із значним вмістом окису
вуглецю. Не менш важливо, що скидного тепло високотемпературних установок
можна використовувати для виробництва пари, що приводить у рух турбіни
електрогенераторів.
Фірма
Vestingaus займається паливними елементами на твердих оксидах з 1958 року. Вона
розробляє енергоустановки потужністю 25 ... 200 кВт, в яких можна
використовувати газоподібне паливо з вугілля. Готуються до випробувань
експериментальні установки потужністю в кілька мегават. Інша американська
фірма Engelgurd проектує паливні елементи потужністю 50кВт що працюють на
метанолі з фосфорною кислотою в якості електроліту.
У створення ТЕ
включається все більше фірм у всьому світі. Американська United Technology і
японська Toshiba утворили корпорацію International Fuel
Cells. У Європі паливними
елементами займаються бельгійсько-нідерландський консорціум Elenko,
західнонімецька фірма Siemens, італійська Fiat, англійська Jonson Metju.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/
