Измерение теплового эффекта. Топливная ячейка

В мире приобрела широкое развитие технология генерации электрической энергии из органических видов топлива – технология топливных ячеек, в соответствии с которой энергия топлива непосредственно превращается в электрику. Эта технология широкой поступью идет на смену традиционным технологиям генерации электрической энергии и двигателям внутреннего сгорания, имея при этом и другое применение.

Мировой опыт эксплуатации свыше 150 электрических станций убеждает в том, что топливным ячейкам хватает вдвое меньшего количества газа для производства единицы электрической мощности, чем наилучшим паро- и газотурбинным станциям. Они имеют и на порядок меньше выбросов в воздух, в особенности при использовании угля. Срок бесперебойной работы станций на топливных ячейках в десятки раз больше, чем у существующих тепловых станций.

В объединении с электрическими двигателями топливные ячейки являются идеальными двигателями для транспортных средств, прежде всего автомобилей, топлива которым нужно в 2–4 раза меньше, чем для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Топливно-ячеечные двигатели уже устанавливаются на самолетах "Стеле", "Сосна", на подводных лодках, инвалидных тележках, мопедах, грузовиках, автобусах и т.п. Они являются легкими и тихими. Топливная ячейка является устройством для получения электрической энергии из органического топлива и кислорода во время химической реакции образования воды и двуокиси углерода из кислорода, водорода и углерода [2, 3]. А положил начало этой, одной из великих во всей истории человечества, идее получения электричества из окисления водорода англичанин Вильям Гроув еще в 1839 г. Интенсивные исследовательские работы по получению электричества с помощью твердых электролитов проводились в конце XIX – начале XX в. Тогда же известный ученый Вальтер Нернст изобрел (1899), так называемую "массу Нернста" – смесь на основе циркония, которая и по сегодняшний день считается наилучшим соединением для генерации электричества. Были изобретены и вырабатывались лампы с нитями разжаривания из циркониевых соединений, которые подогревались к появлению в них ионной проводимости металлическими нагревателями. Потом эти работы над составляющими топливно-ячеечных технологий как-то притихли и продвигались медленно практически до 80-х гг. прошлого века. Им не отводилось достаточного внимания, скорее всего, через веру в безопасность атомной энергетики и неисчерпаемые возможности "мирного атома". Промышленное применение испытали лишь циркониевые датчики кислорода систем контроля за полнотой сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Краткий анализ имеющегося мирового опыта использования топливных ячеек показывает, что:

• на производство электрической энергии топливным ячейкам нужно почти вдвое меньше газа, чем существующим тепловым станциям. Эффективность использования топлива ячейками не зависит от их мощности и составляет 60% вместо 30% на тепловых станциях;

• в паре с газовыми турбинами эффективность использования газа составляет 72%;

• с использованием попутного тепла эффективность использования топлива достигает 85%;

• топливные ячейки имеют в десятки раз больший срок бесперебойной работы (-7000 ч вместо 250 ч на тепловых станциях);

• топливно-ячеечные станции могут иметь широкий спектр мощности – от единиц Вт до 100 Мвт;

• мощность топливных ячеек легко регулируется со скоростью до 1 Мвт/с;

• топливные ячейки уменьшают производственные затраты на 25–40%;

• топливные ячейки являются идеальными автономными источниками электроснабжения, в которых стоимость энергии будет низшей от существующих сегодня на 10–20%;

• автомобили на топливных ячейках требуют в 2–4 раза меньше топлива, чем существующие автомобили с двигателями внутреннего сгорания;

• топливные ячейки являются экологически чистыми с близкими к нулю выбросами;

• топливные ячейки работают тихо. Они шумят не громче бытового кондиционера.

Сейчас в мире известно пять типов топливных ячеек. Наиболее пригодными для удовлетворения земных потребностей в электричестве, по современному состоянию развития топливно-ячеечных технологий, являются так называемые циркониево-керамические топливные ячейки (ЦКТЯ) и пластмассовые протонобменные мембраны (ПЕМ), свойства которых приведены в табл. 6.2. В протонобменных мембранах "перевозчиком" заряда является ион водорода – протон, а электролитом-перегородкой между топливом и окислителем – специальная пластмасса. Как видно из перечня достоинств, именно топливные ячейки на циркониевой керамике являются наиболее привлекательными для использования в промышленности, быту и транспорте, где нужны большие мощности и высокая эффективность. Хотя для переносных потребителей, например радиотелефонов, радиоприемников и магнитофонов с небольшими мощностями в 1–3 Вт, более привлекательными являются ячейки на протонобменных мембранах, которые перезаряжаются как газовые зажигалки. Так, эффективность использования топлива наилучшими газовыми турбинами очень большой мощности сейчас составляет 52%, тепловыми станциями – 33–35%, дизельными станциями – 36%. Топливные ячейки циркониевой керамики являются надежнее других. Они могут потреблять разные виды органического топлива, такие как естественный газ, уголь, древесина, отходы сельскохозяйственного производства, этанол, метанол и т.п.

Таблица 6.2

Сравнение свойств циркониево-керамических и на протонобменных мембранах топливных ячеек

Свойства ячеек	На циркониевой керамике	На протон-обменных мембранах
Преобразование энергии, %	Сама по себе – 60	40
	В паре с турбиной – 72
Полная эффективность, % (с использованием тепла)	85	80
Рабочая температура, °С	600 и выше	80-120
Преимущества	Более высокая температура. Большая эффективность. Работа в паре с газовой турбиной. Использует все виды топлива. Меньше выбросов вредных веществ. Электродами являются распространенные материалы	Низкая рабочая температура. Маленькие размеры. Маленький вес. Быстрый запуск
Проблемы	Медленный запуск	Требует только чистого водорода
	Выход на максимальную мощность – через 5 мин	Требует только платиновых электродов

Топливная ячейка является электрохимическим устройством, которое прямо превращает топливо (водород, естественный или синтетический газ из угля, древесины и т.п., биогаз) и окислитель (воздух) в электричество. Это отстраняет обычные процессы горения и преобразования тепловой энергии сначала в механическую, а потом уже в электрическую.

Топливная ячейка ЦКТЯ работает при температуре выше 500°С и применяет керамическую мембрану из циркониевой керамики, которая является высокотемпературным кислородно-ионным проводником. Керамика действует как твердый электролит между парой электродов в контакте с воздухом и топливом. Кислород поступает из воздуха и ионизируется на поверхности раздела керамика – электрод. Ионы кислорода диффундируют через толщу разогретой циркониевой керамики и реагируют с топливом на электроде со стороны топлива.

Электроны генерируются на этом электроде и направляются дальше через внешнюю нагрузку до замыкания круга. Исходными продуктами топливных ячеек, по определению, являются вода и двуокись углерода. Из-за того что рабочая температура современных керамических станций намного ниже 1000°С, они не способны образовывать очень вредные оксиды азота.