С протоно-обменной мембраной

Основная часть топливного элемента – блок выработки энергии – представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи – примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.

Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177°C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав ТЭ входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.

Топливный процессор, использующий природный газ, позволяет преобразовать этот газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Основной элемент топливного процессора – реформер, в котором природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействуя с водяным паром при высокой температуре (900°C) и высоком давлении в присутствии катализатора – никеля, производит водород.

Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляют в горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.

Пар, необходимый для реформинга, образуется из водяного конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используют тепло, отводимое от батареи топливных ячеек.

В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используют преобразователь напряжения.

Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать ТЭ в случае различных сбоев.

В таком ТЭ образуется примерно 40% электрической энергии. Примерно столько же, около 40% энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80% [95a].

Важным достоинством такого источника тепла и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен автоматизированный ТЭ, не требуется содержать специально обученный персонал, так как обслуживание осуществляют работники эксплуатирующей организации.

Типы топливных элементов. Известно несколько типов ТЭ, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие 4 типа:

●топливные элементы с протонообменной мембраной(Proton Exchange MembraneFuelCells,PEMFC),

●топливные элементы на основе орто фосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC),

●топливные элементы на основе расплавленного карбоната(Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC),

●твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells SOFC).

В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.

Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет

область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими темпера-турами. Для автономного энергоснабжения зданий необходимы ТЭ высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей можно использовать топливные элементы других типов. Технические характеристики ТЭ приведены в табл.6.5.

Топливные элементы с протоно-обменной мембраной (PEMFC Poly-mer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – ТЭ с полимерной мембраной. В качестве электролита в таких ТЭ используют полимерную мембрану толщиной примерно в 2-7 листов обычной бумаги. Восстановителем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода – 10-100 мг/кг. Топливные элементы PEM обладают высоким выходом мощности – 0.7 В на ячейку мембраны.

Типы топливных элементов приведены в табл.6.6.

Автомобиль с энергоустановкой на базе топливных элементов (FCX Clarity) впервые был представлен в 2007 года на автосалоне в Лос-Анджелесе.

Силовая установка гибридная: водородные топливные элементы (ВТЭ)

Таблица 6.5. Основные характеристики топливного элемента РС25С

дублируются вспомогательной ионно-литиевой аккумуляторной батареей. Автомобиль приводит в движение электромотор мощностью 100 кВт (134 л.с). Пробег автомобиля FCX Clarity на одной заправке составляет 435 км. Автомобиль производят на заводе Honda Automobile New Model Center в Японии. За 3 года планировали выпустить около 200 таких машин [73].

В то же время стоимость водородно-электрического силового агрегата для легковых автомобилей еще на порядок выше его бензинового и бензоэлектрического аналога. Для реализации проекта FCX Clarity в США Honda разработала программу лизинга на срок в три года с ежемесячными платежами в $600. Это довольно дорого, но данный проект запущен с целью испытания и совершенствования силовой установки при реальной эксплуатации, а также для обозначения пионерских позиций на рынке водородных «экомобилей». Уже сейчас FCX Clarity работает ради создания более совершенных и доступных автомобилей с силовыми установками на топливных элементах.

Daimler-Chrysler намерен к 2015 году произвести 10 тыс. автомобилей и автобусов с водородной силовой установкой; Honda намерена выпустить на

Таблица 6.6. Типы топливных элементов

дороги США 12 тыс. и 50 тыс. таких автомобилей к 2010 и 2020 гг. соответственно. Toyota собирается довести к 2015-му стоимость водородного автомобиля до $50 тыс., a GM - обеспечить массовое производство к 2025 году.

За 15 лет разработки и исследований Honda создала экологически безвредный автомобиль, работающий на водородном топливе, с конкурентоспособными эксплуатационными характеристиками: затраты на покупку топлива в 3 раза ниже, чем у владельцев машин с бензиновыми и дизельными двигателями. На одном баке автомобиль может проехать около 450 км, то есть на 115 км ему требуется 1 кг водородного топлива. Таким образом, затраты при уже достигнутой стоимости топливного водорода находятся на уровне $4 на 100 км пробега.

В авиации по прогнозу фирмы Boeing водородно-топливные элементы (ВТЭ) постепенно заменят вспомогательные энергетические установки. Они станут источниками электроэнергии для самолета, находящегося на земле, и источниками его бесперебойного питания в воздухе и будут в самое ближайшее время устанавливаться на новое поколение Боингов 747.

Для железнодорожного транспорта требования к стоимости и компактности силовой установки намного ниже, чем для автомобильного. Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планировали начать эксплуатацию поезда на водородных топливных элементах уже к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч и проходить без заправки 300-400 км. В США с 2003-го разрабатывается локомотив массой 109 т с водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.

На вооружении военно-морских сил Германии стоят подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG, которые встанут на вооружение флотов Греции, Италии, Кореи, Израиля.

В США разрабатывают ВТЭ для военных кораблей мощностью 625 кВт. Японская подводная лодка Urashima с ВТЭ производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана еще в августе 2003 года.

Ряд производителей выпускает автомобили с двигателями внутреннего

сгорания, допускающими применение водорода в качестве топлива. Mazda еще в 2006-м начала продажи автомобиля RX-8 с роторным двигателем, который потребляет как бензин, так и водород. Автобусы с двигателями, работающими на водороде, производят Ford, MAN, Daimler-Chrysler.

Тем не менее многомиллионный парк автомобилей во всем мире еще много лет будет работать на традиционных видах топлива - бензине, дизельном газе, природном газе и биогазе, этаноле, метаноле, полученных из растительного сырья по биотехнологиям.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: