Генераторы тепла на основе топливных элементов

Топливные элементы - это многообещающий способ производства энергии в будущем. Особый интерес высокотемпературные топливные элементы представляют для комплека зданий. Топливные элементы преобразуют природный газ с коэффициентом полезного действия более 50% в электричество, при этом образуются высокотемпературные отработанные газы, которые могут использоваться для систем отопления. Несколько подобных устройств уже появилось на рынке, другие все еще находятся на стадии испытаний. Эти устройства представляют собой альтернативное решение проблемы объединения тепло- и электростанций. В отличие от обычных систем с механическим приводом, такие системы не выделяют оксидов азота, они работают практически бесшумно, а коэффициент полезного действия сопоставим с коэффициентами полезного действия теплоэлектроцентралей.

В основе принципа работы топливного элемента лежит беспламенное сжигание природного газа или водорода в электролите. Топливные элементы обычно различают по используемому электролиту. В некоторых случаях их также различают по рабочей температуре (высоко- и низкотемпературные топливные элементы). Для теплоэлектроцентралей могут использоваться следующие типы топливных элементов: фосфорно-кислый топливный элемент, топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом, твердооксидный топливный элемент. Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом и твердооксидные топливные элементы являются высокотемпературными (600 ^oС и 800 ^oС, соответственно).

Несмотря на то, что фосфорно-кислые топливные элементы являются самыми технически совершенными, они имеют наименьший электрический коэффициент полезного действия (коэффициент полезного действия системы составляет 40%). Топливные элементы данного типа широко представлены на рынке. Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом в настоящее время используются в некоторых экспериментальных установках, однако некоторые проблемы, связанные с утечками и коррозией требуют решения.

Твердооксидные топливные элементы в настоящее время находятся на стадии испытаний. В отличие от фосфорно-кислых топливных элементов и топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом, в которых жидкий электролит содержится в твердой матрице, электролитом для твердооксидного топливного элемента служит твердый керамический компонент. Элемент состоит из керамического электролита диоксида циркония (0.2 мм), обладающего ионной проводимостью, и состоящих из электропроводящей металлокерамики пористых электродов (0.3 мм),, которые соединены друг с другом (Рис.51.1).

Кислород поступающего воздуха ионизируется в катодном пространстве при температуре приблизительно 800^oС, другими словами, молекулы кислорода присоединяют к себе электроны. Затем ионы кислорода диффундируют в соответствии с результирующим коэффициентом концентрации через электролит к аноду. Там ионы кислорода взаимодействуют со смесь природного газа (СН4), водорода (Н2) и оксида углерода (СО), образующего СО2 и воду с выделением тепла. Лишние электроны ионов кислорода также освобождаются и возвращаются на катод через внешнюю электрическую цепь. Напряжение постоянного тока, возникающее между двумя

электродами, не превышает 1В, поэтому для того, чтобы получить требуемое напряжение на выходе необходимо соединить последовательно большое количество топливных элементов. Для этого топливные элементы располагаются друг за другом. Оптимизация тока в модуле позволяет получить тепловую энергию, используемую для предварительного нагрева поступающего воздуха, обработки природного газа (преобразование природного газа и воды в СН4, Н2 и СО), нагревания и последующего сжигания неиспользованного природного газа (рис. 51.2). Последнее используется в концепции Hexis (разработанной компанией Sulzer Innotec, Винтертур, Швейцария). Схематическое изображение описанной установки дается на рис. 52. В настоящее время такие системы все еще остаются очень дорогостоящими, и только внедрение в производство массовых серий таких устройств позволит обеспечить благоприятное соотношение цена-качество. Тем не менее, это очень многообещающая технология для будущего.

Дополнительные материалы из раздела "Техническая Инфотека по строительству"
Подраздел: "4.1.7 Тепловые насосы"
Фирма:	Описание представленных материалов:	Просмотреть:	Скачать