ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Как и во многих других областях техники, сфера технологии топ - іивньїх элементов изобилует аббревиатурами, которые могут сбить неподготовленного человека с толку. Мы будем использовать некоторые из них:
ЩТЭ — топливные элементы с щелочным электролитом;
МТЭ — метанольные топливные элементы;
РКТЭ — топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом;
ФКТЭ — топливные элементы с фосфорнокислым электролитом;
ТОТЭ — топливные элементы с твердооксидным электролитом;
ТПТЭ — топливные элементы с твердополимерным электролитом.
В начале XX века, по крайней мере, три технологии боролись за преимущество в автомобильной промышленности — паровые, электрические двигатели и двигатели внутреннего сгорания. Сейчас, в начале XXI века, почти также конкурируют различные типы топливных элементов. Хотя ЩТЭ, РКТЭ и ФКТЭ еще находят коммерческое применение, скорее всего, только ТПТЭ и ТОТЭ имеют реальный шанс завоевать рынок.
Классификация топливных элементов может быть произведена по нескольким критериям.
Напряжение разомкнутой цепи идеального топливного эдеме зависит от используемого топлива и незначительно понижается при увеличь температуры. Однако максимальная плотность тока быстро увеличивается : повышении температуры, так как растет скорость химических реакций, кото также зависит и от вида используемого топлива и может быть увеличена с пс щью катализаторов. Чем выше температура, тем больше плотность тока, кот( может генерировать топливный элемент. С другой стороны, высокая темперг может быть несовместима с электролитом или другими материалами, испо і емыми в элементе, что существенно ограничит срок его службы.
|
Рис. 7.3. Рабочий диапазон температур для различных типов топливных элем с включает в себя довольно узкие области. Отметим, что на рисунке привел данные для двух различных типов ТОТЭ: С1ДД — диоксид церия, легир< ный самарием; ЦСИ — цирконий, стабилизированный иттрием |
РКТЭ НС.
|
и и и ~ О О О —. о о о 5 О О О ~ чО С"-- ОС — |
Для крупных электростанций, работающих в непрерывном режиме, высо уровень температур выгоден: реакции протекают быстро, катализаторы либс нужны, либо, если они все-таки необходимы, устойчивы к отравлению МОПС’ сидом углерода1’, а отходящие газы могут быть использованы для комбини ванного производства энергии, что повышает общую эффективность стани На станциях, работающих при более низких температурах, может производг ся горячая вода для общих нужд, что является преимуществом для районі или автономных станций. Для периодического использования, особенн автомобилях, важно, чтобы топливный элемент работал при достаточно н кой температуре для сокращения времени выхода на рабочий режим. Oz ко при низких температурах появляются недостатки, связанные с высо чувствительностью катализаторов к отравлению монооксидом углерода, обходимостью увеличения количества катализаторов, использованием бо сложных систем охлаждения.
'* Отравление катализатора монооксидом углерода СО может быть серьезной проблемой использовании низкотемпературных топливных элементов с водородным топливом, получен из ископаемых углеводородов.
В настоящее время наиболее распространенные ТПТЭ работают при температурах ниже 100 °С, т. е. при условиях, не обеспечивающих оптимальной производительности, тогда как температуры, при которых работают ТОТЭ, слишком высоки, особенно для использования этих топливных элементов (ТЭ) в автомобилях. Действительно, в современных ТПТЭ, работающих при низких температурах, важными проблемами являются сложность катализа и чувствительность катализаторов к отравляющему действию СО, тогда как в ТОТЭ преимущества работы при высокой температуре уравновешиваются рядом недостатков, описанных в п. 7.5.4. По этой причине исследования в области ТПТЭ направлены на разработку высокотемпературных пластмасс, таких как полибензимидазоло - ые мембраны, созданные фирмой Celanese AG. Эти мембраны могут работать при температуре 200 °С. Исследования в области ТОТЭ, напротив, направлены на поиск низкотемпературной керамики. В качестве электролитов предлагаются модифицированные галлаты лантана и диоксид церия.
