CC BY
100
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_
УДК 621.352
Н.М. Гафуров
студент 3 курса факультета энергонасыщенных материалов и изделий (ФЭМИ) Казанский национальный исследовательский технологический университет
И.З. Багаутдинов
младший научный сотрудник научно-исслед. лаборатории госбюджетных НИР Казанский государственный энергетический университет
Г. Казань, Российская Федерация
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ И
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация
В статье рассматриваются перспективы и преимущества использования топливных элементов в малой энергетике и промышленности.
Ключевые слова
Топливный элемент, газовые и паровые установки, преобразование энергии
В большинстве развитых стран быстро растет интерес к рассредоточенным источникам энергии сравнительно малой мощности. Главные преимущества этих автономных энергоустановок - умеренные капитальные затраты при строительстве, быстрый ввод в эксплуатацию, сравнительно простое обслуживание и хорошие экологические характеристики. При автономной системе электроснабжения не требуется вложений в линии электропередач и подстанции. Расположение автономных источников энергии непосредственно в местах потребления не только избавляет от потерь в сетях, но и повышает надежность электроснабжения.
Хорошо известны такие автономные источники энергии, как малые ГТУ (газотурбинные установки), двигатели внутреннего сгорания, ветроустановки и солнечные батареи на полупроводниках [1].
В отличие от двигателей внутреннего сгорания или турбин, работающих на угле или газе, топливные элементы не сжигают топливо. Они преобразовывают химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции. Поэтому топливные элементы не производят большого количества парниковых газов, выделяющихся при сгорании топлива, таких как двуокись углерода (CO2), метан (CH4) и окись азота (NOx). Выбросы из топливных элементов представляют собой воду в форме пара и низкие уровни двуокиси углерода (или же выбросов CO2 нет вообще), если в качестве топлива для элементов используется водород [2, 3].
При этом топливные элементы работают бесшумно, потому что они не включают шумные роторы высокого давления и при их эксплуатации отсутствуют шумы выхлопных газов и вибрация [4].
Наиболее простыми являются щелочные топливные элементы (ТЭ), с которых началось освоение этого вида автономных источников энергии. Рабочая температура в этих ТЭ составляет 80-95°С, электролитом является 30% раствор едкого калия. Работают щелочные ТЭ на чистом водороде.
В последнее время большое распространение получил топливный элемент РЕМ с мембранами протонного обмена (с полимерным электролитом). Рабочая температура в этом процессе - также 80-95°С, но в качестве электролита используется твердая ионообменная мембрана с перфторсулфокислотой.
К перспективным видам топливных элементов относится также ТЭ с расплавленным карбонатом типа MCFC. Этот ТЭ при работе на метане имеет КПД по электроэнергии 50-57%. Рабочая температура 540-650°С, электролит - расплавленный карбонат калиевой и натриевой щелочей в оболочке - матрице из литий-алюминиевого оксида LiA102.
И, наконец, наиболее перспективный топливный элемент - SOFC. Это твердооксидный топливный элемент, использующий любое газообразное топливо и наиболее пригодный для сравнительно крупных установок. Его КПД по электроэнергии составляет 50-55%, а при использовании в установках
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070
комбинированного цикла - до 65%. Рабочая температура 980-1000°С, электролит - твердый цирконий, стабилизированный иттрием [5].
Все перечисленные выше установки относятся к промышленному классу. Их разработчики постоянно стремятся к повышению мощности агрегатов, чтобы улучшить стоимостные характеристики (удельные затраты на кВт установленной мощности и стоимость выработанной электроэнергии).
Помимо высокой надежности электрохимические генераторы имеют высокий КПД, что выгодно отличает их от паротурбинных установок и даже от установок с ГТУ простого цикла. Важным достоинством топливных элементов является удобство их использования в качестве рассредоточенных источников энергии: модульная конструкция позволяет соединить последовательно любое количество отдельных элементов с образованием батареи - идеальное качество для наращивания мощности. Список использованной литературы:
1. Гафуров А.М. Перспективные области применения энергетических установок на низкокипящих рабочих телах. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2015. - №1 (25). - С. 93-98.
2. Топливные элементы. Вполне реальная альтернатива существующим ТЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://portal-energo.ru/articles/details/id/802.
3. Калимуллина Д.Д., Гафуров А.М. Влияние тепловых электрических станций на окружающую среду. // Инновационная наука. - 2016. - № 3-3. - С. 91-93.
4. Калимуллина Д.Д., Гафуров А.М. Влияние альтернативной энергетики на окружающую среду. // Инновационная наука. - 2016. - № 3-3. - С. 97-98.
5. Топливные элементы. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://wiki.zr.m/Топливные_элементы.
© Гафуров Н.М., Багаутдинов И.З., 2016
УДК 621.352
Н.М. Гафуров
студент 3 курса факультета энергонасыщенных материалов и изделий (ФЭМИ) Казанский национальный исследовательский технологический университет
Б.Р. Хакимуллин студент института теплоэнергетики, кафедры «ТЭС»
И.З. Багаутдинов
младший научный сотрудник научно-исслед. лаборатории госбюджетных НИР Казанский государственный энергетический университет
Г. Казань, Российская Федерация
ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Аннотация
Рассматривается зарубежный опыт эксплуатации топливных элементов.
Ключевые слова Топливный элемент, зарубежные производители, энергоустановки
Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные топливные элементы (ТЭ) первого поколения, работающие при температуре 200-230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (продукт конверсии органического топлива). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода,
