Новый малый твердооксидный топливный элемент достигает рекордной эффективности

Новый малый твердооксидный топливный элемент достигает рекордной эффективности

Согласно результатам исследования, опубликованным в последнем номере журнала «JournalofPowerSources», американские ученые разработали компактный твердооксидный топливный элемент, эффективность которого достигает 57%. Этот показатель намного превышает коэффициент полезного действия уже существующих твердоокисных топливных элементов (эффективность которых варьирует от 30 до 50%), что позволит использовать разработку для обеспечения электричеством отдельных домов и даже целых районов. 

Небольшая по размеру установка, созданная учеными из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории при Министерстве энергетики США, использует в качестве топлива метан – базовую составляющую природного газа.

Чтобы сделать систему более эффективной и масштабируемой, сотрудники лаборатории использовали технологию микроканалирования в сочетании с внешним паровым реформингом и повторным использованием топлива. Важным элементом новой установки стали батареи топливных элементов, разработанные ранее при поддержке межотраслевой организации «SolidStateEnergyConversionAlliance».

«Твердооксидные топливные элементы являются многообещающей разработкой, которая может стать бесперебойным источником чистой, безопасной энергии. До недавнего момента большинство поставщиков энергии  обращало внимание на более масштабные установки, которые производят от 1 мегаватта и более и таким образом могут заменить традиционные электростанции, - отмечает Винсент Спрэнкл, соавтор исследования и ведущий инженер программы разработки твеордооксидных топливных элементов в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. – Однако наше исследование доказывает, что малые топливные элементы с производительностью от 1 до 100 киловатт также могут стать высокоэффективным способом получения электроэнергии в локальных масштабах». 

Начиная работу по созданию нового твердоокисного топливного элемента, Спрэнкл и его коллеги думали об энергоснабжении отдельных районов. Созданный ими опытный образец производит около 2 киловатт электричества – примерно столько энергии расходует среднестатистическая американская семья. Сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разрабатывали топливный элемент так, чтобы его можно было увеличивать в масштабе и получать от 100 до 250 киловатт энергии, которая удовлетворит потребность в электричестве 50-100 американских семей.

Что такое твердооксидный топливный элемент?

Топливные элементы используют аноды, катоды и электролиты для производства электричества – в этом они напоминают аккумуляторные батареи. Однако, в отличие от батарей, которые перестают работать, когда исчерпывают свои реакционноспособные материалы, топливные ячейки могут беспрерывно генерировать энергию при условии постоянной подачи топлива.

Твердооксидные топливные элементы функционируют при высоких температурах – от 600 до 1000 градусов Цельсия – и могут работать на различных видах топлива, включая природный газ, биогаз, водород, а также переработанный и очищенный дизель и газолин. Каждый твердоокисный топливный элемент производится из керамических материалов, образующих 3 слоя: анод, катод и электролит.

На внешний слой – катод – подается воздух. На границе катода и внутреннего слоя электролита кислород, содержащийся в воздухе, превращается в отрицательно заряженный ион O2-. Ионы кислорода проходят через электролит и достигают последнего слоя – анода – где вступают в реакцию с топливом. В результате этой реакции производится электричество, а также образуются побочные продукты – пар и  углекислый газ. Электричество может использоваться для обеспечения отдельных домов, районов и даже городов.

Главное достоинство топливных элементов заключается в том, что они более эффективны, чем традиционные энергоустановки. Например, двигатели внутреннего сгорания в портативных генераторах преобразуют лишь 18% химической энергии топлива в электричество. Напротив, некоторые твердооксидные топливные элементы могут достигать КПД в 60%. Будучи более эффективными, твердоокисные элементы потребляют меньше топлива и не так загрязняют окружающую среду, как традиционные электростанции (включая те, что работают на угле).

Спрэнкл и его коллеги работают именно с малыми установками из-за их преимущества над более крупными аналогами. Большие энергетические системы производят больше энергии, чем может быть использовано местным населением, поэтому избыток приходится переправлять в другие районы по линиям электропередач. К сожалению, в процессе транспортировки электричества теряется существенная его часть. 

С другой стороны, малый размер установок позволяет разместить их ближе к конечным потребителям энергии. Это значит, что производимому электричеству не приходится «путешествовать» далеко. Именно поэтому компактные энергетические системы идеально подходят для так называемого распределенного производства электроэнергии, при котором электричество производится  в малых количествах для собственных нужд отдельных домов и районов.

Цель: малый размер, большая эффективность

Учитывая преимущества компактных установок, исследователи стремились разработать небольшую систему с производительностью более 50%, которую можно было бы с легкостью увеличить в размерах для распределенного производства электроэнергии. Чтобы достичь этого, они сначала использовали технологию по названием «внешний паровой реформинг».

Под паровым реформингом обычно понимается смешение пара с топливом, которые вступают в реакцию, что приводит к образованию промежуточных продуктов – моноксида углерода и водорода. Далее эти вещества вступают реакцию с анодом топливной ячейки. Как уже говорилось ранее, именно эта реакция и порождает электричество, а также побочные продукты – пар и углекислый газ.

Паровой реформинг и раньше применялся в топливных элементах, однако его использование требует высоких температур, прямое воздействие которых на ячейку может привести к их неравномерному  распределению между слоями и со временем разрушить всю установку. Поэтому ученые отдали предпочтение внешнему паровому реформингу, при котором завершение исходных реакций между паром и топливом происходит вне топливного элемента.

Внешний реформинг требует применения теплообменного устройства, в котором перегородка из проводящего материала (например, металла) отделяет два газа. С одной стороны находится горячий отходящий газ, выделяющийся внутри ячейки как побочный продукт.

С другой стороны перегородки находится более холодный газ, направляемый внутрь топливного элемента. Тепло движется через перегородку от более горячего газа к более холодному, нагревая его до температуры, необходимой для протекания реакции.

Эффективностьмикротехнологий

Причина высокой эффективности малых твердооксидных топливных элементов кроется в применении разработанной сотрудниками Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории технологии микроканалирования в теплообменниках системы. Микроканальные теплообменники, используемые в устройстве, имеют не одну перегородку, а несколько – образованных группой узких обводных желобов. Это увеличивает площадь полной поверхности, способствует передаче большего количества тепла и таким образом увеличивает коэффициент полезного действия.

Микроканальные теплообменные устройства были спроектированы таким образом, чтобы требовалось очень мало дополнительного давления для передвижения газа по изгибам обводных желобов.

Еще одным уникальным свойством системы является ее способность переработки. В частности, установка использует отходящий газ, состоящий из пара и побочных продуктов, для поддержания процесса переработки пара. Это значит, что установке не требуется электрическое устройство для нагревания воды и ее превращения в пар. Повторное использование пара, смешанного с топливом, также означает, что система может полностью использовать остатки топлива, которые не были израсходованы в первый раз.

Совмещение технологий внешнего парового реформинга, повторного использования пара и микроканальных теплообменников сделало новый твердооксидный топливный элемент чрезвычайно эффективным. Данная комбинация также позволяет использовать минимум энергии и произвести больше полезного электричества в итоге.

Лабораторные исследования показали, что общий коэффициент полезного действия системы варьировался от 48,2% при 2,2 кВт до  56,6% при 1,7 кВт. По подсчетам исследователей, они могут повысить эффективность до 60% при помощи некоторых усовершенствований. Ученые надеются, что в перспективе их разработка станет основой для создания комплексной системы энергоснабжения отдельных домов и предприятий.

«Мы все еще пытаемся сократить общую стоимость установки до уровня, который бы сделал ее применимой в распределенном производстве энергии, - отмечает Спрэнкл. – Однако наша разработка служит ярким примером того, как нужно создавать системы, которые производят больше электроэнергии при меньших выбросах углекислого газа».

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/New_small_solid_oxide_fuel_cell_reaches_record_efficiency_999.html

  • Дата публикации: 11.06.2012
  • 349

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться