Измерение теплового эффекта. 
Топливная ячейка

В мире приобрела широкое развитие технология генерации электрической энергии из органических видов топлива — технология топливных ячеек, в соответствии с которой энергия топлива непосредственно превращается в электрику. Эта технология широкой поступью идет на смену традиционным технологиям генерации электрической энергии и двигателям внутреннего сгорания, имея при этом и другое применение.

Мировой опыт эксплуатации свыше 150 электрических станций убеждает в том, что топливным ячейкам хватает вдвое меньшего количества газа для производства единицы электрической мощности, чем наилучшим парои газотурбинным станциям. Они имеют и на порядок меньше выбросов в воздух, в особенности при использовании угля. Срок бесперебойной работы станций на топливных ячейках в десятки раз больше, чем у существующих тепловых станций.

В объединении с электрическими двигателями топливные ячейки являются идеальными двигателями для транспортных средств, прежде всего автомобилей, топлива которым нужно в 2−4 раза меньше, чем для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Топливно-ячеечные двигатели уже устанавливаются на самолетах «Стеле», «Сосна», на подводных лодках, инвалидных тележках, мопедах, грузовиках, автобусах и т. п. Они являются легкими и тихими. Топливная ячейка является устройством для получения электрической энергии из органического топлива и кислорода во время химической реакции образования воды и двуокиси углерода из кислорода, водорода и углерода [2, 3]. А положил начало этой, одной из великих во всей истории человечества, идее получения электричества из окисления водорода англичанин Вильям Гроув еще в 1839 г. Интенсивные исследовательские работы по получению электричества с помощью твердых электролитов проводились в конце XIX — начале XX в. Тогда же известный ученый Вальтер Нернст изобрел (1899), так называемую «массу Нернста» — смесь на основе циркония, которая и по сегодняшний день считается наилучшим соединением для генерации электричества. Были изобретены и вырабатывались лампы с нитями разжаривания из циркониевых соединений, которые подогревались к появлению в них ионной проводимости металлическими нагревателями. Потом эти работы над составляющими топливно-ячеечных технологий как-то притихли и продвигались медленно практически до 80-х гг. прошлого века. Им не отводилось достаточного внимания, скорее всего, через веру в безопасность атомной энергетики и неисчерпаемые возможности «мирного атома». Промышленное применение испытали лишь циркониевые датчики кислорода систем контроля за полнотой сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Краткий анализ имеющегося мирового опыта использования топливных ячеек показывает, что:

• • на производство электрической энергии топливным ячейкам нужно почти вдвое меньше газа, чем существующим тепловым станциям. Эффективность использования топлива ячейками не зависит от их мощности и составляет 60% вместо 30% на тепловых станциях;
• • в паре с газовыми турбинами эффективность использования газа составляет 72%;
• • с использованием попутного тепла эффективность использования топлива достигает 85%;
• • топливные ячейки имеют в десятки раз больший срок бесперебойной работы (-7000 ч вместо 250 ч на тепловых станциях);
• • топливно-ячеечные станции могут иметь широкий спектр мощности — от единиц Вт до 100 Мвт;
• • мощность топливных ячеек легко регулируется со скоростью до 1 Мвт/с;
• • топливные ячейки уменьшают производственные затраты на 25−40%;
• • топливные ячейки являются идеальными автономными источниками электроснабжения, в которых стоимость энергии будет низшей от существующих сегодня на 10−20%;
• • автомобили на топливных ячейках требуют в 2−4 раза меньше топлива, чем существующие автомобили с двигателями внутреннего сгорания;
• • топливные ячейки являются экологически чистыми с близкими к нулю выбросами;
• • топливные ячейки работают тихо. Они шумят не громче бытового кондиционера.

Сейчас в мире известно пять типов топливных ячеек. Наиболее пригодными для удовлетворения земных потребностей в электричестве, по современному состоянию развития топливно-ячеечных технологий, являются так называемые циркониево-керамические топливные ячейки (ЦКТЯ) и пластмассовые протонобменные мембраны (ПЕМ), свойства которых приведены в табл. 6.2. В протонобменных мембранах «перевозчиком» заряда является ион водорода — протон, а электролитом-перегородкой между топливом и окислителем — специальная пластмасса. Как видно из перечня достоинств, именно топливные ячейки на циркониевой керамике являются наиболее привлекательными для использования в промышленности, быту и транспорте, где нужны большие мощности и высокая эффективность. Хотя для переносных потребителей, например радиотелефонов, радиоприемников и магнитофонов с небольшими мощностями в 1−3 Вт, более привлекательными являются ячейки на протонобменных мембранах, которые перезаряжаются как газовые зажигалки. Так, эффективность использования топлива наилучшими газовыми турбинами очень большой мощности сейчас составляет 52%, тепловыми станциями — 33−35%, дизельными станциями — 36%. Топливные ячейки циркониевой керамики являются надежнее других. Они могут потреблять разные виды органического топлива, такие как естественный газ, уголь, древесина, отходы сельскохозяйственного производства, этанол, метанол и т. п.

Таблица 6.2

Сравнение свойств циркониево-керамических и на протонобменных мембранах топливных ячеек

Топливная ячейка является электрохимическим устройством, которое прямо превращает топливо (водород, естественный или синтетический газ из угля, древесины и т. п., биогаз) и окислитель (воздух) в электричество. Это отстраняет обычные процессы горения и преобразования тепловой энергии сначала в механическую, а потом уже в электрическую.

Топливная ячейка ЦКТЯ работает при температуре выше 500 °C и применяет керамическую мембрану из циркониевой керамики, которая является высокотемпературным кислородно-ионным проводником. Керамика действует как твердый электролит между парой электродов в контакте с воздухом и топливом. Кислород поступает из воздуха и ионизируется на поверхности раздела керамика — электрод. Ионы кислорода диффундируют через толщу разогретой циркониевой керамики и реагируют с топливом на электроде со стороны топлива.

Электроны генерируются на этом электроде и направляются дальше через внешнюю нагрузку до замыкания круга. Исходными продуктами топливных ячеек, по определению, являются вода и двуокись углерода. Из-за того что рабочая температура современных керамических станций намного ниже 1000 °C, они не способны образовывать очень вредные оксиды азота.