English

NOVITECH

logo

научный и технический центр

Топливная ячейка

Топливная ячейка – это устройство, которое преобразовывает химическую энергию топлива в электрическую и тепловую в одну стадию (минуя механическую).

История. Первым, кто теоретически описал возможность создания водородной топливной ячейки (топливного элемента), был немец Christian Friedrich Schnbein. В 1838 году он описал принцип в одном из научных журналов того времени.

Годом позже, в 1939,сэр William Robert Grove из Уэльса создал и продемонстрировал практически работающую водородную батарею. Но заряда, производимого батареей, было недостаточно, чтоб изобретение получило широкое употребление.

Термин «топливный элемент» был впервые использован в 1889 исследователями Ludwig Mond и Charles Langer, которые совершили попытку создать работающий ТЭ с использованием воздуха и коксового газа. По другой версии, первым, кто использовал термин «топливный элемент», был William White Jaques. Он также был первым, кто использовал фосфорную кислоту в электролитной ванне.

В 1920-х годах исследования, проведенные в Германии, открыли пути использования карбонатного цикла и твердооксидных топливных элементов, которыми пользуются сейчас.

В 1932 инженер Francis T Bacon начал свое исследование водородных ТЭ. До него, исследователи использовали пористые электроды из платины и серную кислоту в электролитной ванне. Платина делала производство очень дорогим, а серная кислота создавала дополнительные сложности из-за своей едкости. Бэйкон заменил дорогую платину на никель, а серную кислоту — на менее едкий щелочной электролит. Бэйкон постоянно совершенствовал свою разработку и в 1959 году смог представить публике 5-киловаттный топливный элемент, который был способен снабжать энергией сварочный аппарат. Исследователь назвал свой ТЭ «Bacon Cell».

Известный немецкий химик Вильгельм Оствальд был убежден в том, что топливные элементы имеют преимущество над всеми известными источниками энергии, что на сегодняшний день полностью подтверждается, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи запасов нефти во второй половине XIX века затормозили развитие топливных элементов.

Новый толчок развития топливные элементы получили в 50-х годах прошлого века, когда возникла необходимость в создании компактного электрогенератора для космических полетов вместо ядерного, учитывая высокий риск последнего. Топливные элементы обеспечивали космические корабли электричеством и водой.

Начало украинским топливным элементам в 1953 г. положил выдающийся, но известный лишь в узких кругах, советский ученый – отец украинских топливных элементов – профессор Оганес Давтян (1911-1990 г.г.) на посту главы кафедры физической химии Одесского государственного университета им.Мечникова. В 1959 г. в руки О. Давтяна попал американский журнал, в котором сообщалось, что в США построен трактор, который работает на «батарее топливных элементов Давтяна» вместо двигателя внутреннего сгорания. С этим журналом О. Давтян обратился к президенту Академии наук СССР М. В. Келдышу и добился разрешения на создание лаборатории топливных элементов при Одесском госуниверситете, которая в январе 1962 г. по приказу Совета Министров УССР была превращена в проблемную научно-исследовательскую лабораторию топливных элементов при Одесском госуниверситете им. И. И. Мечникова, где О.Давтян занимался твердооксидными, расплавными карбонатными, щелочными топливными элементами.

За работу в области топливных элементов О. Давтян был номинирован на Нобелевскую премию Чешской академией наук, и кроме украинских топливных элементов, он стал одним из основателей квантовой химии в странах бывшего Советского Союза и в 1962 г. написав первый советский учебник по квантовой химии.

Хотя О. Давтян и разработал топливные элементы для космических кораблей, воспользовались его разработками американцы, когда полетели на Луну. Они, правда, честно признали, что если бы не было давтяновских разработок, нога человека еще долго не ступила бы на лунную поверхность. Энергопотребление на американских космических кораблях Gemini и Apollo осуществлялось с помощью «элементов Давтяна».

Принцип работы на примере твердооксидной керамической топливной ячейки (SOFC)

Основные компоненты топливной ячейки: анод, катод и электролит. На анод подается топливо в виде горючего газа (водород, углеводородные соединения), где катализатор способствует его диссоциации на катионы. На катод подается газ-окислитель (кислород, воздух). На катоде проходит реакция восстановления кислорода, при этом он ионизируется. Ионы кислорода, проходят сквозь керамический электролит на анод. На аноде проходит реакция окисления топлива, в которой принимают участие катионы топлива и анионы кислорода. В результате реакции высвобождаются электроны и тепловая энергия. Также, продуктами реакции являются водяной пар (при использовании чистого водорода) или водяной пар и диоксид углерода (при углеводородном топливе).

Топливная ячейка может постоянно вырабатывать электроэнергию, пока на нее подается топливо и воздух (кислород). Для того, чтобы получить необходимую мощность, топливные ячейки соединяют между собой в так называемые стеки. Стеки топливных ячеек, соединенные в системы с подачей топлива и отводом электроэнергии и тепла, могут иметь множество способов использования.

Постоянный ток, который вырабатывает ячейка, может использоваться как непосредственно, так и преобразовываться в переменный ток с заданной частотой с помощью инвертора.

Тепло, которое образуется, может быть частично использовано в системе (подготовка топлива) или же полностью отводиться, например, для отопления или нагрева воды.

Топливные ячейки являются основным узлом системы (генератора), который также включает узлы подготовки топлива, подачи воздуха (кислорода), регулирования, охлаждения, управления.

Использование SOFC-CHP генераторов

  1. Автономная система электро- и теплоснабжения, источник бесперебойного (резервного) питания.
  2. Централизованная поставка электроэнергии и тепла в сеть.

По видам/сферам применения:

Основные преимущества генераторов на SOFC

Принцип действия топливных ячеек (прямое преобразование химической энергии в электрическую и тепловую) предполагает наличие ряда преимуществ генераторов тепловой и электрической энергии, созданных на основе топливных ячеек, перед распространенными типами теплоэлектрогенераторов :

Движущие силы развития отрасли генераторов на топливных ячейках

таблица sofc

Достижения научно-технического центра «НОВИТЕХ»

Целевые потребители SOFCCHP генераторов исходя из вида рабочего топлива:

А) Рабочее топливо – природный газ местной добычи с невысокой стоимостью для местного потребителя: Ближний Восток, Африка, Азия. Продукт реакции в т.ч. НО: 400 л/час на 1 МВт произведенной э/энергии.

B) Рабочее топливо – синтез-газ (СО+Н), получаемый при газификации органического топлива (уголь, угольные шламы, отходы переработки нефти, твердые бытовые отходы, опасные медицинские отходы, прочие органические отходы и органическое сырье, биомасса): Европа.

Для продажи SOFC-CHP генераторов промышленным и коммерческим потребителям Группы В необходимо сотрудничество с компаниями-производителями газификаторов органического сырья – лидерами в отрасли, обладающими инновационными технологическими решениями, исключающими вредные выбросы при процессе газификации, решающих вопрос газификации за бюджетную стоимость.