ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Высокотемпературные топливные элементы с керамическим электролитом

Большая работа в области цилиндрических топливных элементов была про­дана специалистами компании Siemens Westinghouse. В 2001 г. компанией іа создана энергетическая установка мощностью 100 кВт, которая работала Голландии в автоматическом режиме и отдавала вырабатываемую мощность энергосеть. Кроме того, компания имела гибридную (работающую совместно газовой микротурбиной) энергоустановку мощностью 220 кВт в Лос-Андже - е на базе компании Southern California Edison. Установка мощностью I МВт, ющая КПД 58 %, была запущена в форте Миди, штат Мэриленд, США, по зу Агентства по охране окружающей среды, создание еще одной установки • же мощности планировалось в г. Марбах, Германия.

При запуске и остановке ТОТЭ возникают термические колебания большой ам­пулы, которые приводят к возникновению проблем с герметичностью корпуса, женеры компании Siemens Westinghouse решили эту проблему, разработав ост - лшую конструкцию на основе цилиндрических элементов, в которой не исполь тся уплотнения. Каждый отдельный элемент представляет собой трехслойную мическую трубку, показанную на рис. 7.9. Внутренний слой является воздуш - ;■< электродом (катодом), средний — электролит, а внешний — топливный элек - (анод). Создание топливного элемента начинают с изготовления воздушного ірода из манганита лантана La,, 9Sr0 Циркониевый электролит располагается катодной трубке, а анод укладывается поверх слоя электролита. Соединение с v осуществляется непосредственно через внешний электрод. Чтобы получить п к катоду, вдоль трубки располагается соединительная рейка, которая прохо - сквозь внешние слои до внутреннего слоя (см. рис. 7.9). Соединительная рейка а быть устойчива как в окислительной среде вблизи воздушного электрода, и в восстановительной среде вблизи топливного электрода. Так же она должна непроницаема для газов. Этим требованиям удовлетворяет хромит лантана, увеличения электропроводности материал легируют Са, Mg, Sr или другими ентами с низкой валентностью.

Рис. 7.9. Цилиндрические концентрические электроды ТОТЭ фирмы Siemens Wes' house

I Воздух 'Г

Камера сгоракйй _ >Избыток во

отработанного

топлива

А

Топливо

Рис. 7.11. Цилиндрические Э; менты собраны в модули без непе зования уплотнений

На рис. 7.10 показано, как трубный пучок может быть собран по послед тельно-параллельной схеме в единый модуль. Никелевая сетка, изготовлен из никелевых нитей, которые были соединены спеканием, является механичен

эластичным соединительным материалом. Отметим, что все соединения нахо­дятся в химически восстановительной среде.

Модули состоят из двух камер, как показано на рис. 7.11. В более длинную нижнюю топливную камеру поступает топливо через отверстия в нижней части. Топливо движется вверх, и большая его часть расходуется на аноде.

Непрореагировавшая часть топлива, которая составляет примерно 15 % об­щего расхода, поступает в камеру отработавшего топлива, где в избытке смеши­вается с воздухом, который поступает через верхнее сечение в каждой трубке. Остатки топлива сгорают, в результате чего образуется теплота, используемая для подогрева поступающего воздуха и повышения температуры (до 900 °С) отработавших газов, которые подаются в турбину. Турбина работает в ниж­ней части цикла.

Стандартный 22-миллиметровый цилиндр Оребренные ячейки

Рис. 7.12. Поперечное сечение цилиндрического и уплощенного оребренного эле­ментов

При смешении водяного пара и газов топлива реакция конверсии протекает автоматически вследствие каталитического действия никеля, содержащегося в материале анода (см. гл. 8):

сн4 + н2о->со+зн2.

«Обычные» топливные элементы компании Siemens Westinghouse представляют собой трубки диаметром 22 мм разной длины, обычно около 1,5 м. Использова­ние альтернативной геометрии позволяет повысить эффективность.

Использование уплощенных элементов с ребрами не только повышает ком­пактность батареи (в заданном объеме можно разместить большее число элемен­тов), но и уменьшает стоимость производства. В уплощенных элементах сделан ряд усовершенствований, которые существенно повышают эффективность эле­мента. На рис. 7.13 показаны характеристики цилиндрического и оребренного элементов.