USD 96.1021

+0.03

EUR 105.4854

+0.38

Brent 75.31

-0.41

Природный газ 2.471

-0.01

, Обновлено 21 ноября 07:49
17374

Топливные элементы

Использование химической энергии водорода или других видов топлива обеспечивает экологически чистое и эффективное производство электроэнергии.

Топливные элементы

Топливный элемент - это устройство, которое использует источник топлива, например водород, и окислитель для создания электричества в результате электрохимического процесса.
Использование химической энергии водорода или других видов топлива обеспечивает экологически чистое и эффективное производство электроэнергии.
Если топливом является водород, то единственными продуктами будут электричество, вода и тепло.
Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциального применения:
  • широкий спектр топлива и сырья;
  • обеспечение электроэнергией большие системы и маленькие;
  • на транспорте;
  • в промышленных/коммерческих/жилых зданиях;
  • долгосрочное хранение энергии в обратимых системах.
Отличие аккумуляторных батарей от ТЭ:
  • для поддержания химической реакции ТЭ требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха);
  • в аккумуляторной батарее химическая энергия обычно поступает от веществ, которые уже присутствуют в батарее.
ТЭ могут непрерывно вырабатывать электроэнергию до тех пор, пока подаются топливо и кислород.

Преимущества ТЭ

ТЭ имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями сжигания, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и транспортных средствах:
  • более высокий КПД, чем двигатели внутреннего сгорания (ДВС);
  • могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с КПД, превышающим 60%;
  • имеют более низкие или 0 выбросы по сравнению с ДВС;
  • водородные ТЭ выделяют только воду, решая критические климатические проблемы:
    • отсутствуют выбросы углекислого газа,
    • отсутствуют загрязнители воздуха, которые создают смог и вызывают проблемы со здоровьем в месте эксплуатации;
  • работают бесшумно, поскольку в них мало движущихся частей.

Конструкция ТЭ:

  • вещество - электролит, которое обычно определяет тип топливного элемента и может быть изготовлено из ряда веществ, таких как гидроксид калия, карбонаты солей и фосфорная кислота;
  • используемое топливо. Наиболее распространенным топливом является водород;
  • анодный катализатор, обычно мелкодисперсный порошок платины, расщепляет топливо на электроны и ионы;
  • катодный катализатор, часто никелевый, преобразует ионы в отработанные химические вещества, причем наиболее распространенным типом отходов является вода;
  • газодиффузионные слои, предназначенные для противодействия окислению.

Как работают ТЭ

ТЭ работают как аккумуляторы, но они не разряжаются и не требуют подзарядки.
ТЭ производят электроэнергию и тепло, пока подается топливо.
ТЭ состоит из 2 электродов - отрицательного электрода ( анода) и положительного электрода (катода), зажатых вокруг электролита:
  • на анод подается топливо, например водород, а на катод – воздух;
  • в водородном ТЭ катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями;
  • электроны проходят через внешнюю цепь, создавая поток электричества;
  • протоны мигрируют через электролит к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и тепло.
Элементы PEMFC обычно производят меньше оксидов азота, чем элементы ТОТЭ:
  • они работают при более низких температурах;
  • используют водород в качестве топлива;
  • ограничивают диффузию азота в анод через протонообменную мембрану, которая образует NOx.
Энергоэффективность ТЭ обычно составляет 40 - 60%, но если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации, может быть получен КПД до 85%.

Типы топливных элементов

Операции всех ТЭ одинаковы, были разработаны специальные разновидности, позволяющие использовать преимущества различных электролитов и удовлетворять различные потребности применения.
Топливо и заряженные частицы, мигрирующие через электролит, могут быть разными, но принцип тот же:
  • окисление происходит на аноде, а восстановление - на катоде;
  • эти 2 реакции связаны заряженными частицами, которые мигрируют через электролит, и электронами, которые текут через внешнюю цепь.

Топливные элементы с полимерно - электролитной мембраной

ТЭ с полимерной электролитной мембраной (PEM) также называются тТЭ с протонообменной мембраной:
  • используют:
    • в качестве электролита - протонпроводящую полимерную мембрану,
    • в качестве топлива - водород;
  • работают при относительно низких температурах и могут быстро изменять свою выходную мощность в соответствии с меняющимися потребностями в мощности;
  • является лучшим вариантом для питания автомобилей;
  • можно использовать для стационарного производства электроэнергии;
  • недостатки:
    • из-за низкой рабочей температуры - не могут напрямую использовать углеводородное топливо (природный газ, СПГ, этанол),
    • ископаемое топливо должно быть преобразовано в водород в установке для риформинга топлива, чтобы его можно было использовать в ТЭ PEM.

ТЭ с прямым метанолом

ТЭ с прямым метанолом (DMFC) аналогичен элементу PEM тем, что в качестве электролита в нем используется полимерная мембрана, проводящая протоны:
  • но метанол используется непосредственно на аноде, что устраняет необходимость в установке для риформингатоплива;
  • хороший вариант для питания портативных электронных устройств (портативные компьютеры и зарядные устройства), поскольку метанол обеспечивает более высокую плотность энергии, чем водород.

Щелочные ТЭ

  • щелочные ТЭ используют:
    • щелочной электролит, такой как гидроксид калия;
    • или щелочную мембрану, которая проводит ионы гидроксида, а не протоны;
  • ТЭ Бэкона с середины 1960х гг. использовались в космических программах Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в космических миссиях, но теперь находят новые применения, например, в портативных источниках энергии.

ТЭ на фосфорной кислоте

  • используют электролит на основе фосфорной кислоты, который проводит протоны, удерживаемые внутри пористой матрицы;
  • работают при температуре около 200°C;
  • используются в модулях мощностью 400 кВт и выше, для стационарного производства электроэнергии в гостиницах, больницах, продуктовых магазинах и офисных зданиях, где также можно использовать отходящее тепло;
  • фосфорная кислота также может быть зафиксирована в полимерных мембранах, а ТЭ, использующие эти мембраны, представляют интерес для различного стационарного энергетического применения.

ТЭ с расплавленным карбонатом (MCFC)

  • используется расплавленная карбонатная соль, зафиксированная в пористой матрице, которая проводит ионы карбоната в качестве электролита;
  • применение: в различных стационарных установках среднего и крупного масштаба, где их высокая эффективность обеспечивает чистую экономию энергии;
  • работают при высоких температурах (около 600°C), что позволяет им самостоятельно реформировать такие виды топлива, как природный газ и биогаз./li>

ТЭ с расплавленным карбонатом

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют тонкий слой керамики в качестве твердого электролита, который проводит оксидные ионы:
  • разрабатываются для использования в различных стационарных силовых установках, а также во вспомогательных силовых устройствах для тяжелых грузовиков;
  • работают при температуре 700–1000 °C с электролитами на основе диоксида циркония и при температуре всего 500 °C с электролитами на основе церия;
  • могут осуществлять внутреннее преобразование природного газа и биогаза;
  • могут быть объединены с газовой турбиной для производства электроэнергии, эффективность достигает 75%.

Комбинированные теплоэнергетические ТЭ

  • помимо электроэнергии, ТЭ производят тепло;
  • тепло можно использовать для отопления, горячее водоснабжение;
  • представляют интерес для энергоснабжения домов и зданий, где достижим общий КПД до 90%;
  • экономит энергию и снижает выбросы парниковых газов.

Регенеративные или обратимые ТЭ

  • особый класс ТЭ;
  • производит электричество из водорода и кислорода, но его можно реверсировать и питать электричеством для производства водорода и кислорода;
  • эта новая технология может обеспечить:
    • хранение избыточной энергии, вырабатываемой периодически возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), такими как ветряные (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС),
    • высвобождать эту энергию в периоды низкого уровня генерации электроэнергии.

НИОКР

НИОКР ныне сосредоточены:
  • на разработке недорогих компонентов ТЭ и баланса установки;
  • на передовых подходах к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы.
Платина представляет собой один из крупнейших компонентов стоимости ТЭ с полимерным электролитом и мембраной, работающего на водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые:
  • повысят активность и использование, а также снизят содержание современных катализаторов на основе металлов платиновой группы и их сплавов;
  • позволят использовать катализаторы, не содержащие металов платиновой группы;
  • обеспечат долгосрочное применение ТЭ.
Разработка инновационных материалов и стратегия интеграции:
  • электролиты ионообменных мембран с повышенной эффективностью и долговечностью при меньших затратах;
  • совершенствование мембранно-электродных сборок (МЭБ) с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ;
  • моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации;
  • разработку стеков с высоким КПД при номинальной мощности и высокопроизводительными компонентами противовыбросового оборудования, такими как компоненты управления воздухом с низкими паразитными потерями.
Перспективные цели по сроку службы системы ТЭ в реальных условиях эксплуатации:
  • 8000 час для легковых автомобилей;
  • 30000 час для тяжелых грузовиков;
  • 80000 час для распределенных энергосистем.
  • реальные условия эксплуатации включают запуск и остановку, замораживание и оттаивание, наличие примесей в топливе и воздухе, а также влажность и циклы динамических нагрузок, которые приводят к нагрузке на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.
Исследования и разработки направлены на выявление и понимание механизмов деградации ТЭ, а также на разработку материалов и стратегий для смягчения их последствий.
Новости СМИ2




Подпишитесь на общую рассылку

лучших материалов Neftegaz.RU

* Неверный адрес электронной почты

Нажимая кнопку «Подписаться» я принимаю «Соглашение об обработке персональных данных»




Произвольные записи из технической библиотеки

Обновлено 11 декабря 2023, 13:28

24120

Обновлено 3 августа 2023, 10:54