Гибридные энергоустановки на основе топливных элементов. Принцип действия топливных элементов. Экологические характеристики

Содержание

1 Гибридные энергоустановки на основе топливных элементов……………..3

2  Топливные элементы. Принцип действия топливных элементов………….6

2.1  Характеристики топливных элементов………………………………….8

2.2  Основные типы топливных элементов и энергоустановок…………….9

3 Схемы гибридных энергоустановок………………………………………… 14

4 Экологические характеристики………………………………………………19

Список использованных источников…………………………………………..22

1 Гибридные энергоустановки на основе топливных элементов

Интенсивное развитие энергетики приводит к появлению целого ряда глобальных проблем, главными среди которых являются сырьевые и экологические. Так, неэффективное использование топливных ресурсов оказывает существенное влияние на загрязнение атмосферы, доля энергетики в котором составляет около 60 %. Поэтому основным направлением в решении вышеназванных проблем является поиск альтернативных, более рациональных способов преобразования энергии, к которым, прежде всего, относится электрохимический с использованием электрохимических энергоустановок (ЭЭУ) на основе топливных элементов (ТЭ). Эти установки характеризуются многими достоинствами:

-  экологической безопасностью, поскольку удельные выбросы вредных компонентов при их работе на 1,5 - 2,5 порядка ниже выбросов от традиционных энергоустановок;

- бесшумностью и меньшим потреблением воды;

- высоким КПД (от 60 до 80 %), который относительно мало зависит от установленной мощности и нагрузки;

- возможностью использования различных видов топлива;

- модульной конструкцией ЭЭУ и соответственно их быстрой сборкой, простотой обслуживания;

- когенерацией тепла и воды.

Электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов обеспечивают прямое превращение химической энергии топлива в электрическую. Они обычно состоят из блока подготовки топлива, электрохимического генератора (ЭХГ), преобразователя постоянного тока в переменный (инвертор), иногда концевого цикла, включающего турбо – машинный блок  и устройства использования тепла (рисунок 1).

Рисунок 1 – Блок - схема электрохимической энергоустановки на основе            топливных элементов

В топливно-окислительном блоке хранятся топливо и окислитель, осуществляется подготовка топлива (например, измельчение угля), очистка от примесей (например, удаление серы) и переработка топлива и окислителя (либо в аппаратах пароводяной конверсии метана, метанола и других видов топлив, либо в устройствах газификации угля). В электрохимическом блоке генерируется электрическая энергия и тепло. В его состав входят батарея топливных элементов, система подвода топлива и окислителя (обычно кислорода воздуха), отвода продуктов реакции и тепла, а также блок автоматики.

Основными составляющими гибридных ЭУ являются топливные элементы и тепловые двигатели. Наиболее перспективными для использования в электроэнергетике являются высокотемпературные твердооксидные ТЭ (ТОТЭ), т.к. в них генерируется электроэнергия и высокопотенциальная теплота, которую можно  использовать для переработки топлива, коммунального и промышленного теплоснабжения, либо в газотурбинных и парогазовых установках, в котлах утилизаторах получая пар с дальнейшей выработкой электроэнергии в паровой турбине.

Работа энергоустановок с топливными элементами может быть обеспечена полностью в автоматическом режиме, включая этапы запуска и остановок на плановые технические обслуживания. При сравнении ЭЭУ с традиционными энергоустановками необходимо учитывать  весь комплекс дополнительных средств, которыми оснащаются дизель-генераторы и газотурбинные энергоустановки (виброфундаменты, панели шумопоглощения, внешние теплообменники, стойки системы управления и др.). Все это позволяет создавать унифицированный ряд модульных энергоустановок с ТЭ, которые работают в широком диапазоне мощностей (от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт), не требуют крупных капиталовложений, имеют большую степень заводской готовности и малые сроки ввода в эксплуатацию.

Основным препятствием к широкому применению ЭЭУ пока являются высокие капитальные затраты, которые обусловлены затратами на подготовку топлива, однако при этом обеспечивается экологическая чистота окружающей среды, что конечном счете выгодно обществу.

 2  Топливные элементы. Принцип действия топливных элементов

Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива и окислителя в электричество, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энергии протекает через несколько промежуточных стадий, в том числе через стадию образования теплоты (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами

Так как преобразование тепла в работу у этих установок отсутствует, их энергетический КПД значительно выше, чем у традиционных энергоустановок и может составлять до 90 %.

Простейший топливный элемент представляет собой простое устройство, состоящее из двух не расходуемых электродов (анода и катода), разделенных электролитом. В процессе работы в ТЭ непрерывно подают реагенты (топливо и окислитель), а на выходе получают электричество и тепло. Поскольку в самих топливных элементах нет движущихся частей, их отличает надёжность, долговечность и простота эксплуатации. Ну и, разумеется, экологическая чистота.

Электроды ТЭ обеспечивают подвод или отвод электронов от участников электрохимических реакций, протекающих на них, и служат  катализатором этих реакций. На аноде протекает электрохимическое окисление восстановителя