Современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Топливный элемент (электрохимический генератор) — устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
|
|
|
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство — реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
|
|
|
Важное преимущество топливных элементов — их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
|
|
|
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день — их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен — все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
|
|
|
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
современное использование топливных элементов
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.).
Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.
| Таблица 1 Область применения топливных элементов | |||||||||||||||
|
Топливный элемент — относительно простое устройство. В нем есть два электрода: анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). На электродах происходит химическая реакция. Чтобы ее ускорить, поверхность электродов покрывается катализатором. Топливный элемент также содержит электролит, переносящий заряженные частицы от одного электрода к другому. Чтобы происходила реакция, необходимо еще два компонента: кислород и, конечно же, топливо. Большинство конструируемых сейчас топливных элементов используют в качестве топлива водород.
Водородный аккумулятор вырабатывает электричество в ходе химических реакций. Водородное топливо попадает в элемент и после серии химических реакций соединяется с кислородом, образуя воду и электрический ток.
|
На мембране обмена протонов или мембране полимерного электролита (МПЭ) элемента водородное топливо попадает на анод, где разделяется на электроны и ионы водорода. Электроны выносят заряд из аккумулятора, а ионы движутся в нем. На катоде ионы реагируют с кислородом и электронами, образуя воду.
Как это работает
Все водородные аккумуляторы работают по одному принципу, отличаясь незначительно, в зависимости от вида батареи. Водородное топливо попадает в аккумулятор через анод. На аноде происходит окисление, когда положительные ионы (протоны) удаляются из атомов водорода в ходе химической реакции в присутствии катализатора. Анод - пористый, поэтому водород может проходить сквозь него. Поверхность катода так же имеет поры, чтобы через них проходил кислород.
Электролит проводит заряженные ионы от анода к катоду. При этом электроны направляются во внешнюю цепь. Так появляется электрический ток.
На катоде происходит реакция, когда электроны соединяются с положительными ионами водорода и кислородом, образуется вода. Вода вытекает из аккумулятора. Если в качестве топлива используется чистый водород, то никаких побочных продуктов больше нет. Если водород содержит примеси, то образуется небольшой объем других газов. Некоторые аккумуляторы работают при очень высоких температурах, образуя много тепла.
Аккумуляторные системы
Один аккумулятор не способен выработать электричество, достаточное для большинства нужд. Чтобы обеспечить необходимый объем, топливные элементы группируются. Размер стека зависит от необходимого количества электричества, вида топливного элемента, его размера, рабочей температуры и давления используемых газов.
В некоторых системах используется чистый водород. Однако в некоторых системах водород не очищен и используются углеводороды: метанол, бензин или дизельное топливо. Проблема с этими видами топлива в том, что они содержат молекулы сульфида водорода и сульфид карбонила. Эти молекулы могут "отравить" аккумулятор, существенно снизив его эффективность. В топливном элементе, использующем неочищенный водород или углеводородное топливо, необходим топливный процессор. Топливный процессор превращает богатое водородом топливо в форму, которая может быть использована в аккумуляторе. Вид обработки зависит от топлива. Почти чистый водород необходимо лишь профильтровать. Углеводороды нужно превратить в газообразный водород и углеродистые составляющие - так называемые продукты реформинга. В некоторых случаях эти продукты также нужно переработать чтобы удалить нечистоты, перед тем как они будут использованы в топливном элементе. Аккумуляторы, работающие при очень высоких температурах, могут выполнять реформинг внутри себя. В процессе реформинга образуется некоторое количество СО2, однако в намного меньшем объеме, чем в традиционном двигателе внутреннего сгорания.
Ток, создаваемый аккумулятором, постоянный, то есть движение электронов идет в одном направлении. Однако большинство электроприборов работают на переменном токе, который движется в обоих направлениях в чередующихся циклах. Необходимо контролировать силу тока, напряжение и частоту. Поэтому аккумулятору нужны инверторы тока и кондиционеры, чтобы адаптировать производимое электричество.
Последний элемент топливного стека - система восстановления тепла. В зависимости от вида элемента, в процессе работы генерируется от небольшого то существенного объема тепла. Это тепло можно использовать, чтобы получать пар иил вращать турбину генератора, чтобы получить дополнительное электричество. Это увеличивает КПД топливной системы.
Большинство аккумуляторов работают на водороде, полученном из ископаемого топлива. А что если мы сможем заменить ископаемое топливо возобновляемым водородным? Эта идея лежит в основе восстанавливающихся аккумуляторов. Водородное топливо будет получаться из воды. Вода, используемая при получении топлива, в процессе электролиза превратится в водород. Электричество, необходимое для этого процесса, будет получено из возобновляемых источников: энергии солнца или ветра. Такой подход может быть использован в любом виде водородного аккумулятора. Хотя этот процесс и исключает использование ископаемого топлива, а также загрязняющие выбросы, на сегодня для таких аккумуляторов не существует инфраструктуры.
Проблемы
Водородные аккумуляторы все еще далеки от повседневного использования. Проблема номер один - цена, сейчас аккумуляторы, питающие автомобили, намного дороже, чем двигатели внутреннего сгорания. Они также дороже любого источника энергии, вырабатывающего электричество. Самые общедоступные аккумуляторы стоят около 4500 долларов за киловатт; дизельный генератор стоит около 800 долларов и 1500 долларов за киловатт; турбина, работающая от природного газа, обходится в 400 долларов и менее за киловатт. Автомобильные двигатели обходятся еще дешевле: от 25 до 30 долларов за киловатт. Таким образом операционные расходы аккумуляторов нужно существенно снизить, чтобы их можно было использовать для повседневных нужд.
Цена - лишь первая проблема. Сейчас аккумуляторы зависят от ископаемого топлива, из которого получают водород. Если появится другой источник водорода, аккумуляторы станут действительно экологически чистым источником энергии.
Кроме того, мы мало знаем о том, насколько надежным будет оборудование при длительной эксплуатации, особенно в широком диапазоне температурных условий, с которыми приходится сталкиваться транспорту. Размер и вес всей системы - еще одна проблема для использования на транспорте. Помимо аккумуляторного стека, низкотемпературным системам нужен еще процессор, бак для топлива, компрессоры и экспандеры воздуха, а также датчики. Современные двигатели внутреннего сгорания более компактны.
Тепло, образуемое даже низкотемпературными элементами, необходимо использовать или охлаждать и выпускать. Наконец, пока не существует систем водородной заправки.
Все эти проблемы будут постепенно решены, но пока аккумуляторы могут использоваться лишь ограниченно.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 84; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!