Зарубежный опыт эксплуатации топливных элементов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

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,

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_

а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).

Одна из таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25% до 80% от номинальной. КПД достигал 30-37% - это близко к современным крупным тепловым электростанциям. Время ее пуска из холодного состояния - от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 сек [1].

В различных районах США проводились испытания небольших теплофикационных установок мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Такие установки могут нагревать воду до 130°С и размещают в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Установки уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологичность электростанций на топливных элементах позволяет размещать их непосредственно в городах.

Первая топливная электростанция в Нью-Йорке мощностью 4,5 МВт заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза больше нужна площадка размером 30x60 м. Строят и несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Расчетный срок службы новых электростанций - не менее 30 лет [2].

Наилучшими характеристиками обладают уже проектируемые модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго и третьего поколений. Они работают при температурах от 650°С до 800°С. Их аноды изготавливают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды - из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.

Еще эффективнее могут быть высокотемпературные топливные элементы с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочие температуры достигают 1000°С. КПД энергоустановок с такими топливными элементами близок к 55 %. В таких элементах топливом могут служить и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Сбросовое тепло высокотемпературных установок целесообразно использовать для производства пара для привода турбин электрогенераторов в пароводяном цикле [3].

Фирма Westinghaus (США) исследует свойства топливных элементов на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью от 25 до 200 кВт, использующие газообразное топливо, получаемое из угля (синтезгаз), и испытывает пилотные установки мощностью свыше мегаватта. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт и более, работающие на метаноле, с фосфорной кислотой в качестве электролита.

В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманские фирмы Siemens, EnBW, RWE, итальянская Fiat, английская Jonson Metju. Это далеко не полный список компаний, работающих над созданием энергетических установок нового поколения.

В целом, достижения в области разработки топливных элементов значительны, но ещё далеки от широкого промышленного использования. Проблема заключается в высокой стоимости топливных элементов. Однако, это не единственная причина, сдерживающая переход на водородную энергетику на данном этапе её освоения.

Список использованной литературы:

1. Топливные элементы. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://n-t.ru/tp/ie/te.htm.

2. Водородная энергетика. Электрохимические генераторы на топливных элементах. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.startbase.ru/knowledge/articles/121/.

3. Топливные элементы. Вполне реальная альтернатива существующим ТЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://portal-energo.ru/articles/details/id/802.

© Гафуров Н.М., Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З., 2016