Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Електрохімічні генератори (паливні елементи (комірки))

Паливні елементи відносять до хімічних джерел струму. Вони здійснюють пряме перетворення енергії палива в електричну, обминаючи малоефективні процеси горіння, що відбуваються з великими втратами. Цей електрохімічний пристрій в результаті високоефективного “холодного” горіння палива безпосередньо виробляє електроенергію. Біохіміки встановили, що біологічний воднево-кисневий паливний елемент “вмонтований” у кожну живу клітину.

Джерелом водню в організмі служить їжа - жири, білки і вуглеводи. В шлунку, кишечнику, клітинах вона в кінцевому підсумку розкладається до мономерів, які, у свою чергу, після ряду хімічних перетворень дають водень, який приєднується до молекули-носія. Кисень із 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 за сприятливих умов (температура тіла, нормальний тиск, водне середовище) хімічна енергія з високим ККД перетворюється в теплову (підтримання температури тіла), механічну (рух м’язів), електрику (морський електричний скат), світло (комахи, що випромінюють світло). Людина в котрий раз повторила створення природою пристрою отримання енергії, що свідчить про перспективність цього напряму, адже всі процеси в природі є раціональними.

Першість відкриття воднево-кисневого паливного елемента в 1838 р. належить англійському вченому У. Грову, який досліджуючи розклад води на водень і кисень, виявив побічний ефект - електролізер виробляв електричний струм. У цих перетворювачах енергії можна отримати значення ККД вищі, ніж у теплових машинах. У 1893 р. німецький фізик і хімік Нернст вирахував, що теоретичний ККД електрохімічного процесу перетворення хімічної енергії вугілля в електричну дорівнює 99,75 %.

Основу будь-якого хімічного джерела струму становить два електроди, з’єднані електролітом. Паливний елемент складається з анода, катода й електроліту. На аноді окиснюється, тобто віддає електрони, відновник (паливо СО або Н2), вільні електрони з анода надходять у зовнішню мережу, а позитивні іони утримуються на

границі анод-електроліт (СО+, Н+). З іншого кінця мережі електрони

підходять до катода, на якому відбувається реакція відновлення

2—

(приєднання електронів окислювачем О ). Потім іони окиснювача переносяться електролітом до катода.

В паливному елементі разом з’єднані три фази фізико-хімічної системи:

- газ (паливо, окиснювач);

- електроліт (провідник іонів);

- металічний електрод (провідник електронів).

У паливних елементах відбувається перетворення енергії окисно - відновної реакції в електричну, при цьому процеси окиснення та відновлення просторово розділені електролітом. Електрод та електроліт не беруть участі у реакції, але в реальних конструкціях із часом забруднюються домішками палива. Електрохімічне горіння може відбуватися при невисоких температурах і практично без втрат.

Паливні елементи виробляють електроенергію подібно до електрохімічних акумуляторів. Однак на відміну від акумулятора вони мають зовнішнє джерело енергії - звичайно водень - і генеруватимуть електроенергію доти, поки надходить пальне. Таким чином, вони ніколи не потребують електричного перезарядження.

На теперішній час існує декілька різних видів паливних елементів, проте всі вони мають однакову схему роботи. Шари матеріалів із

різними електрохімічними властивостями розміщуються послідовно, формуючи єдину гальванічну комірку [5].

Протонно-обмінна мембрана (Proton Exchange Membrane (РЕМ)) паливної комірки має найбільше поширення через низьку робочу температуру, відносну нейтральність до домішок та високу енергетичну густину.

Оболонка

Ка

Анод(-)

Рисунок 3.2.17 - Схема роботи паливної комірки

Гаряча вода

Проте цей процес не зможе довго тривати без повного електрохімічного циклу. Одночасно з появою електричного струму в зовнішньому колі водневі протони проходять крізь мембрану від

Водневий газ (Н2) втікає в канали на одній стороні паливної комірки і протікає через електрод. Одночасно такий самий процес відбувається з киснем (02), звичайно від оточуючого повітря вздовж протилежного електрода. Хімічна реакція, прискорена каталізатором, сприяє тому, що водень окиснюється до водневих протонів і віддає свої електрони сусідньому електроду, який, таким чином, стає анодом. Негативний заряд проходить шляхом найменшого опору крізь зовнішнє коло до іншого електрода (катода). Цей потік електронів, проходячи крізь коло, створює електричний струм (рисунок 3.2.17).

анода до катода. Коли електрони повертаються, виконавши роботу, вони реагують із киснем і водневими протонами на поверхні катода, утворюючи воду. Під час молекулярної реакції відбувається виділення теплоти (екзотермічна реакція), так само, як і в процесі тертя іонів під час проходження крізь мембрану. Ця теплова енергія може використовуватися за межами паливної комірки.

Таким чином, анодна реакція є такою:

Н2 ^2Н+ +2е“;

катодна реакція є такою:

Уг02 + 2Н+ + 2е_ —> Н20.

Одна паливна комірка створює постійний струм при низькій напрузі. З метою задоволення загальних енергетичних потреб паливні комірки з’єднують одна з одною в серії, щоб створити стек (батарею) паливних комірок. Цей модульний принцип паливних комірок дозволяє виробляти їх фактично будь-якого розміру.

Паливні комірки загалом розподіляються за категоріями залежно від речовини електроліту, що знаходиться між двома електродами. Характеристики цього матеріалу визначають оптимальну робочу температуру і пальне, що використовується для генерації електроенергії (таблиця 3.2.1). Кожний з типів комірок має свій специфічний набір переваг та недоліків.

Таблиця 3.2.1 - Типи паливних комірок

Тип

паливної

комірки

Електроліт

Газ

анода

Газ катода

Темпер

атура

Ефективн

ість

Proton

Exchange

Membrane

(РЕМ)

тверда

полімерна

мембрана

водень

чистий або атмосфери ий кисень

75 °С

35-60 %

Alkaline

(AFC)

калієвий

гідроокис

водень

чистий

кисень

Нижче 80 °С

50-70 %

Direct

Methanol

(DMFC)

тверда

полімерна

мембрана

метанол, розчинени й у воді

атмосфери ий кисень

75 °С

35-40 %

Phosphori с Acid (PAFC)

фосфор

водень

атмосфери ий кисень

210 °С

35-50 %

Molten

Carbonate

(MCFC)

лужно-

карбонатна

водень,

метан

атмосфери ий кисень

650 °С

40-55 %

Solid

Oxide

(SOFC)

керамічно-

оксидна

водень,

метан

атмосфери ий кисень

800 - 1000 °С

45 - 60 %

Полімерна електролітична мембранна паливна комірка (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)).

Більш відома як протонно обмінна мембранна паливна комірка, або РЕМ - це один з найбільш багатообіцяючих типів паливних комірок широкого використання. Паливна комірка РЕМ використовує сучасний пластичний електроліт (як правило, Nafion) для перенесення протонів від анода до катода.

Твердий електроліт паливної комірки РЕМ набагато легший для керування і використання, ніж рідкий аналог, і його низька робоча температура дозволяє швидкий запуск.

Тонкий платиновий каталізатор хімічно активує реакцію в електродах. У минулому через платину ці пристрої були дуже дорогими, але нові технології значно зменшили товщину платинового шару, що дозволило зменшити ціну на ці пристрої менше ніж на 3000 дол. СПІА/кВт. Паливні комірки РЕМ є найбільш придатними для застосовування при потужності від 1 до 100 кВт.

Лужна паливна комірка (Alkaline Fuel Cell (AFC)).

Лужні паливні комірки широко використовуються в космічних програмах. Ці пристрої були розроблені NASA для використання в проекті Gemini та подальшого використання на Space Shuttle. AFC є дуже ефективними, виділяють після реакції тільки чисту воду. Проте ці пристрої потребують найчистішого водню й кисню та електроліту з лужного калієвого гідроокису, який дуже дорого коштує.

Оскільки під час роботи утворюється деяка кількість двооксиду вуглецю, яка руйнує лужний каталізатор, паливні комірки AFC знаходять застосування тільки на окремих нішах ринку.

Фосфорно-кислотна паливна комірка (Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)).

Цей різновид комерційно доступний, починаючи з 1992 р. Паливні комірки PAFC мають потенціал для використання в маленьких стаціонарних системах енергетичної генерації. Вони відомі своєю високою надійністю, досконалою роботою та високою ефективністю - більше 80 % (у режимі когенерації). Вони працюють у середньому температурному режимі і можуть працювати на забрудненому домішками водні. Такий генератор потужністю 250 кВт, створений фірмами “Сименс” і “Вестинхауз”, працює в Москві в офісі компанії “Газпром” з 1995 р. Найкрупніша у світі фосфорна електростанція потужністю 11 МВт працює в Токіо.

Паливна комірка на розплавленому карбонаті Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC).

У паливних комірках на розплавленому карбонаті

використовується керамічна матриця з включенням солі як

°

електроліту. Оскільки MCFC діють при температурі 650 С, їх доцільніше застосовувати на великих стаціонарних установках. Слід зазначити те, що вони потенційно є найбільш корисними, оскільки діють з ефективністю 85 % (у режимі когенерації). Багато MCFC сьогодні проходить світову перевірку, і набувають комерційного значення. Вони є особливо корисними у лікарнях, тобто в таких будівлях, де постійно необхідна електрична та теплова енергії (нагрівання або охолодження).

Твердооксидні паливні комірки Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)).

Ці паливні комірки найбільш придатні для великих стаціонарних електричних генераторів, що можуть забезпечити електроенергією фабрику або місто. SOFC виконуються з керамічних елементів між

електродами. Подібно до MCFC, вони діють при високих

°

температурах (800-1000 С). Ці паливні комірки є чудовими пристроями когенерації. їх оптимальне індустріальне застосування можливе у випадках, коли потрібні високотемпературні потоки. Вони виходять на комерційний конкурентний рівень у 2006-2007 р.

Оскільки електрична напруга елемента є невеликою (приблизно 1 В), то елементи послідовно з'єднують у батареї. ККД паливних елементів дуже високий, теоретично він близький до одиниці, а практично дорівнює 60-80 %.

Використання водню як палива пов'язане з високою вартістю експлуатації паливних елементів, тому вишукуються можливості використання інших дешевших видів палива, насамперед, природного та генераторного газу. Однак швидкість перебігу реакції окиснення газу задовільна при високих температурах (800-1200 К), що виключає використання водних розчинів лугу як електролітів. У цьому випадку можливо використовувати тверді електроліти з іонною провідністю.

Нині широко ведуться роботи щодо створення ефективних високотемпературних паливних елементів. Поки що питома потужність паливних елементів ще не є великою, вона в декілька разів нижча, ніж у двигунів внутрішнього згорання. Однак успіхи електрохімії та конструктивне вдосконалення паливних елементів у недалекому майбутньому уможливлять використання паливних елементів в автотранспорті та енергетиці.

До переваг енергоустановок на основі паливних елементів можна віднести:

- кількість питомих викидів шкідливих компонентів на 1,5-2,5 разу нижче, ніж у традиційних енергоустановках;

- відсутні тверді відходи, що забруднюють атмосферу;

- високий ККД (40-70 %), відносно мало залежний від установлених потужностей і навантаження;

- можливість використання різних видів палива;

- безшумність роботи;

- споживають на порядок менше води;

- модульний характер, швидкий монтаж, простота обслуговування;

- когенерація роботи - одночасне вироблення теплоти і води.

Паливні елементи ніби створені для міста. Низькотемпературні паливні елементи не потребують повітряного або водяного охолодження, вони займають набагато менше місця, ніж традиційні ТЕЦ. Попередні оцінки показують, що електростанція на паливних елементах потужністю 20 МВт займе ділянку розміром лише 15x25 м2.

Електрохімічні енергетичні установки на основі високотемпературних паливних елементів дозволяють здійснювати когенерацію енергії, тобто одночасне виробництво електричної та теплової енергії. При цьому найбільш ефективним є їх поєднання з газовими турбінами у так звані гібридні цикли. На рисунку 3.2.18 зображена схема роботи високотемпературних твердооксидних паливних елементів із газовою турбіною.

У гібридному циклі паливні елементи, виробляючи близько 80 % електричної енергії всієї установки, одночасно виконують роль своєрідної топки для газової турбіни. Гази, які виходять з паливного елемента, надходять до турбіни, де виробляється решта електроенергії, і далі охолоджуються в рекуператорі. ККД такого гібридного комплексу досягає 70 %, а для потужних систем - до 80 %.

Однією з переваг гібридних систем є те, що їх можна ефективно використовувати поблизу споживачів електричної та теплової енергій. При цьому установки потужністю до 500 кВт призначаються для житлових приміщень, офісів, концертних і спортивних залів тощо, потужністю 0,5-5 МВт - для об’єктів промисловості середньої потужності, потужністю 5-50 МВт - для великих підприємств і районів міст. Попередні прогнози показують, що вартість установок для систем потужністю 200-300 кВт буде становити 13 00— 1500 дол. США за 1 кВт встановленої потужності і зменшуватися зі зростанням потужності установок.

Найбільш перспективним шляхом впровадження паливних елементів в енергетику є створення з газовими турбінами систем ко - і тригенерації енергії. У такий спосіб досягається максимальна ефективність використання вуглеводневої сировини і найнижчий

рівень шкідливих викидів у довкілля у порівнянні з традиційними генераторами енергії.

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru