С протоно-обменной мембраной

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 17Следующая ⇒

Основная часть топливного элемента – секция выработки энергии– представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток1400 ампер при напряжении 155вольт. Размеры батареи– примерно 2, 9 м в длину и 0, 9 м в ширину и высоту.

Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177°C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав ТЭ входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.

Топливный процессор, использующий природный газ, позволяет преобразовать этот газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора – реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900°C) и высоком давлении в присутствии катализатора – никеля.

Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляют в горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.

Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используют тепло, отводимое от батареи топливных ячеек.

В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используют преобразователь напряжения.

Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.

В таком ТЭ образуется примерно 40% электрической энергии.Примерно столько же, около 40% энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80%.

Важным достоинством такого источника тепло и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владель-цам объекта, на котором установлен автоматизированный ТЭ, не требуется содержать специально обученный персонал, поскольку периодическое обслуживание могут осуществлять работники эксплуатирующей организации. Технические характеристики элемента приведены в табл.2.3.

Таблица 2.3. Основные характеристики топливного элемента РС25С

Типы топливных элементов. Известно несколько типов ТЭ, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие 4 типа:

● топливные элементы с протонообменной мембраной(Proton Exchange MembraneFuelCells, PEMFC),

● топливные элементы на основе орто фосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC),

● топливные элементы на основе расплавленного карбоната(Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC),

● твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells

, SOFC).

В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.

Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.

Для автономного энергоснабжения зданий необходимы ТЭ высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей можно использовать топливные элементы других типов.

Топливные элементы с протоно-обменной мембраной (PEMFC_ Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – топливный элемент с полимерной мембраной. В качестве электролита в таких топливных элементах используется полимерная мембрана толщиной примерно в 2-7 листов обычной бумаги. Восстановителем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода – 10-100 мг/кг. Топливные элементы PEM обладают высоким выходом мощности– 0.7 В на ячейку мембраны.

Типы топливных элементов приведены в табл.2.4.

Биотопливные элементы согласно прогнозам представляют будущее энергетики. Все ищут новые альтернативные источники энергии. Специалисты считают перспективными экологически безопасные, неиссякаемые и дешевые микробные топливные элементы. Принцип их работы основан на способности бактерий к перевариванию органики. В результате разложения сахаров до спиртов и кислот освобождаются электроны, которые можно использовать.

Первые эффективные биотопливные элементы появились только в начале этого тысячелетия, когда в университете Южной Флориды был создан первый робот, успешно работающие на сахаре.

Для развитых стран маломощные биотопливные ячейки пока не подходят. Зато они смогли помочь народам Африки, во многих поселениях которой вообще нет электричества. Команда гарвардских студентов-ученых, объединившихся в организацию Lebone, подарила электричество нескольким деревням в Танзании (2008) и Намибии (2009). Предложенный ими простой и крайне дешевый генератор электричества работает в течение нескольких месяцев от грязи, которой в Африке предостаточно.

Таблица 2.4. Типы топливных элементов

Аналогично «живые генераторы» перспективны для обеспечения работы оборудования вдали от цивилизации. Например, в США разрабатывают биоаккумуляторы для подводного морского оборудования, в частности датчиков передвижения для морских животных. В 2002 году американские ученые получили электричество от бактерий из морского придонного ила. Для этого один графитовый стержень поместили в придонный ил, другой погрузили в воду непосредственно под океанской поверхностью, насыщенной кислородом. По данным эксперимента полученной энергии уже тогда было достаточно велико. Принципы работы биобатареек. Колония бактерий, живущая на аноде, расщепляет углеводы до углекислого газа (СО2), протонов (Н+) и электронов. В природе в аэробных условиях бактерии используют кислород или нитраты в качестве акцепторов электронов, так что окончательным продуктом реакции становится вода.

В микробиологической топливной установке условия анаэробные, поэтому бактерии вынуждены передавать электроны доступному акцептору, то есть аноду. Далее электроны текут по электрической цепи через нагрузку к катоду. В это же время протоны из анодной камеры через катионную мембрану попадают в катодную камеру, содержащую кислород. На катоде из кислорода и протонов восстанавливается вода (рис.2.12).

Рис.2.12. Схема микробиологической топливной установки

Микробиологические топливные элементы подразделяют на:

● микробные

● ферментные,

В качестве катализаторов в них применяют либо целые микроорганизмы, либо ферментные препараты. Часто используют бактерию Escherichia coli (кишечная палочка). Большой процент используемых микроорганизмов составляют Geobacter (анаэробные железобактерии). Полагают, что сам вид бактерий вообще неважен, поэтому можно использовать естественную микрофлору.

Топливные ячейки на бактериях попали на восьмое место в списке«The Times» 50 лучших изобретений 2009 года. В качестве топлива в них могут использовать углеводы, органические кислоты и спирты, а также многие органические отходы, что позволяет решать как энергетическую, так и экологическую проблемы.

Автомобиль с энергоустановкой на базе топливных элементов (FCX Clarity) впервые был представлен публике 14 ноября 2007 года на автосалоне в Лос-Анджелесе. Силовая установка пока гибридная: водородные топливные элементы (ВТЭ)дублируются вспомогательной ионно-литиевой аккумуляторной батареей. Автомобиль приводит в движение электромотор мощностью 100 кВт (134 л. с). Пробег FCX Clarity на одной заправке составляет 270 миль (435 км). Автомобиль производят на заводе Honda Automobile New Model Center в Японии. За 3 года планировали выпустить около 200 таких машин [31].

В то же время стоимость водородно-электрического силового агрегата для легковых автомобилей еще на порядок выше его бензинового и бензоэлектрического аналога. Для реализации проекта FCX Clarity в США Honda разработала программу лизинга на срок в три года с ежемесячными платежами в $600. Это довольно дорого, но данный проект запущен с целью испытания и совершенствования силовой установки при реальной эксплуатации, а также для обозначения пионерских позиций на рынке водородных «экомобилей». Уже сейчас FCX Clarity работает ради создания более совершенных и доступных автомобилей с силовыми установками на топливных элементах.

Daimler-Chrysler намерен к 2015 году произвести 10 тыс. автомобилей и автобусов с водородной силовой установкой; Honda намерена выпустить на дороги США 12 тыс. и 50 тыс. таких автомобилей к 2010 и 2020 гг. соответственно. Toyota собирается довести к 2015-му стоимость водородной легковушки до $50 тыс., a GM - обеспечить массовое производство к 2025 году.

За 15 лет разработки и исследований Honda создала экологически безвредный автомобиль, работающий на водородном топливе, с конкурентоспособными эксплуатационными характеристиками:

● в атмосферу автомобиль выбрасывает лишь воду,

● затраты на покупку топлива в 3 раза ниже, чем у владельцев машин с бензиновыми и дизельными двигателями: на одном баке автомобиль может проехать около 450 км, то есть на 115 км ему требуется 1 кг водородного топлива. Таким образом, затраты при уже достигнутой стоимости топливного водорода находятся на уровне $4 на 100 км пробега.

В авиации Boeing прогнозирует, что водородно-топливные элементы (ВТЭ)постепенно заменят вспомогательные энергетические установки. Они станут источниками электроэнергии для самолета, находящегося на земле, и источниками его бесперебойного питания в воздухе и будут в самое ближайшее время устанавливаться на новое поколение Боингов 747.

Для железнодорожного транспорта требования к стоимости и компактности силовой установки намного ниже, чем для автомобильного. Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планировали начать эксплуатацию поезда на водородных топливных элементах уже к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч и проходить без заправки 300-400 км. В США с 2003-го разрабатывается локомотив массой 109 тонн с водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.

На вооружении военно-морских сил Германии стоят подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. Планируется, что U-212 встанет на вооружение флотов Греции, Италии, Кореи, Израиля.

В США разрабатываются ВТЭ для военных кораблей мощностью 625 кВт. Японская подводная лодка Urashima с водородными топливными элементами производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана еще в августе 2003 года.

Ряд производителей выпускает автомобили с двигателями внутреннего

сгорания, допускающими применение водорода в качестве топлива. Mazda

еще в 2006-м начала продажи автомобиля RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять как бензин, так и водород. Автобусы с двигателями, работающими на водороде, производят Ford, MAN, Daimler-Chrysler.

Тем не менее многомиллионный парк автомобилей во всем мире еще мно-

го лет будет работать на традиционных видах топлива - бензине, дизельном газе, природном газе и биогазе, этаноле, метаноле, полученных из растительного сырья по биотехнологиям.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒