Что такое топливные элементы?

9 Янв

Одним из перспективных способов прямого, экологически чистого преобразования химической энергии топлива в электрическую является технология с использованием топливных элементов (ТЭ).

Энергетическая установка содержит батарею ТЭ с соответствующими параллельно-последовательными схемами их соединения. Установка включает три фазы физико-химической системы: газ (топливо-окислитель), жидкий электролит (проводник ионов), металлический электрод (проводник электронов).

Принципиально важным достоинством современных ТЭ является их способность использования в качестве восстановителя газового топлива разного происхождения — природного газа, синтетического газа, биогаза, продуктов газификации (угля, метанола, дизельного топлива, биомассы и др.), а также экологическая чистота и бесшумность процесса.

toplivny_element

Технология получения электроэнергии требует двух электродов (катод и анод) и электролит. Топливо (восстановитель) окисляется на аноде, т.е. отдает электроны. Они поступают с анода во внешнюю электрическую цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит. С другого конца внешней цепи электроны подхо дят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединения электронов окислителем-кислородом). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду. Таким образом, в ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом электроде.

При производстве электроэнергии используются следующие типы ТЭ:

  • низкотемпературные ТЭ со щелочным электролитом и твердополимерной ионообменной мембраной;
  • среднетемпературный ТЭ с фосфорно-кислым электролитом;
  • высокотемпературные ТЭ с расплавленным карболитным или твердооксидным электролитом.

Повышение температуры реакций снижает «отравляемость» катализатора и электродов окисью углерода и увеличивает эффективность процесса окислителя на катоде.

Известны ТЭ, работающие при температуре 650…700°С с анодами из никель-хромового композита, катодами из спеченного и окисленного алюминия, и электролитом из расплава карбонатов щелочных металлов (лития и калия).

Перспективными считаются энергетические установки на ТЭ с электролитом из твердых оксидов металлов (обычно двуокиси циркония) с рабочей температурой около 1000°С и выше. КПД таких установок около 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукции газификации угля со значительным содержанием окиси углерода. Сбросовое тепло высокотемпературных установок может использоваться для производства пара, который поступает в стандартный турбоэлектро-генераторный цикл, что значительно повышает эффективность использования топлива в комплексе.

По материалам: greenevolution