Перспективные энергетические установки

     ТЭ  вырабатывают постоянный электрический  ток. Напряжение ТЭ обычно не превышает 1 В, а токи, отбираемые от одного элемента, относительно невелики. Для увеличения напряжения, тока и электрической мощности отдельные ТЭ соединяют между собой в батареи ТЭ.

       Для постоянного получения электроэнергии  необходимо непрерывно подводить в батарею ТЭ топливо и окислитель, отводить из батареи продукты реакции и теплоту. Поэтому реальная выработка электрической энергии и теплоты осуществляется в электрохимических генераторах и энергоустановках.

     Электрохимический генератор (ЭХГ) – это энергоустановка, состоящая из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты.

     Электрохимическая энергоустановка (ЭЭУ) – это установка, предназначенная для выработки электрической энергии и теплоты, включающая в себя ЭХГ, устройства для преобразования напряжения и тока (например, инвертор) и систему утилизации теплоты, генерируемой в ТЭ, например, для теплофикации (низкопотенциальная теплота) или получения электрической энергии (высокопотенциальная теплота) в паровой или газовой турбине (в концевом цикле).

     Как показывает анализ, основные работы в  области разработок ЭЭУ с ТЭ сосредоточены в трех регионах планеты: в Северной Америке (США, Канада), Западной Европе (Германия, Италия, Великобритания и др.), Юго-Восточной Азии (Япония, Южная Корея, Китай). Япония практически целиком сосредоточила свои усилия на разработке ЭЭУ с ТЭ для бытового применения, так называемых Homе Fuel Cells. В Европе и особенно в США практически одинаковое внимание уделяют разработкам ЭЭУ для резервного электроснабжения и ЭЭУ для совместной выработки электроэнергии и теплоты.

       Классификация ЭЭУ может быть  произведена по различным признакам:  по назначению, виду ТЭ, виду топлива  и окислителя и т.п. Поскольку  основой ЭЭУ является батарея топливных элементов, то в литературе принято классифицировать их по видам и типам ТЭ.

       Существует ряд признаков, по  которым классифицируются ТЭ:

       -по рабочим температурам (низкотемпературные – до 100°С, среднетемпературные – до 250°С, высокотемпературные – до 1000°С);

     - по типу ионного проводника-электролита (щелочной, кислотный, твердополимерная мембрана, расплавленные карбонаты, твердооксидная керамика);

     - по виду топлива (водород, метанол) и т.п.

     Несмотря  на то, что к настоящему времени  разработано большое число различных типов топливных элементов, интерес с точки зрения практического применения представляют лишь несколько типов, а именно:

       -низкотемпературные топливные элементы со свободным (жидкий раствор КОН) и со связанным (пропитанная водным раствором КОН асбестовая мембрана) щелочным электролитом и топливные элементы с твердополимерной ионообменной (протонопроводящей) мембраной;

       -среднетемпературные топливные элементы с фосфорно-кислым электролитом (ТЭФК);

       -высокотемпературные топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРК) и с твердооксидным керамическим электролитом (ТЭТО).

       Рассмотрим основные типы ЭЭУ с топливными элементами. 

Электрохимические энергоустановки  на базе топливных  элементов со щелочным электролитом.

       Топливные элементы со щелочным  электролитом работают при относительно низкой температуре (60–120°С) и потребляют в качестве топлива и окислителя соответственно водород и кислород высокой чистоты. В качестве окислителя в принципе возможно использование воздуха, очищенного от диоксида углерода и примесей, отравляющих катализатор топливного элемента.

       В качестве электролита используется  либо непосредственно жидкий  раствор КОН, либо матрица, пропитанная раствором электролита (матричный электролит). Токообразующая реакция в водородно-кислородном топливном элементе со щелочным электролитом: 2Н2 + О2 = = 2Н2О. Т.о. единственным продуктом, образующимся при работе ЭХГ, является вода высокой чистоты, которая может быть использована для удовлетворения технологических и бытовых нужд. В 1950–1980-х годах в Англии, Германии, США, Франции и СССР проводились активные исследования и опытно-конструкторские работы по созданию ЭХГ с топливными элементами со свободным и связанным щелочным электролитом (ТЭЩЭ). В качестве электролита применялся раствор КОН, обладающий высокой электрической проводимостью.

       Впервые успешная попытка использования  ЭЭУ с ЭХГ в качестве источника энергии для подводного аппарата была предпринята в США фирмой United Technologies Corp. (UTC), которая по заказу ВМС США создала в 1974 году ЭЭУ на базе ТЭЩЭ для подводной лодки «Дип квест», спроектированного фирмой «Локхид». В составе ЭЭУ были использованы водородно-кислородные топливные элементы со щелочным электролитом. Водород и кислород хранились в газообразном состоянии под давлением в стальных сферических емкостях.

       Первый позитивный опыт американских  фирм послужил толчком к активизации разработок ЭЭУ с ЭХГ в европейских странах, в первую очередь в ФРГ, которые в наибольшей степени заинтересованы в развитии подводных лодок с неатомной энергетикой.

       Фирма Siemens в 1980-е годы на  базе матричных водородно-кислородных  ТЭ разработала транспортные ЭЭУ мощностью 6, 17,5 и 48 кВт, а также ЭЭУ для подводного аппарата мощностью более 300 кВт. ТЭ фирмы Siemens работали при температуре 95°С, давлении водорода и кислорода 300 кПа и имели ресурс в пределах 10000 часов.

       ЭЭУ на базе ТЭЩЭ также были  разработаны для энергоснабжения  пилотируемых космических объектов. В США такие ЭЭУ были созданы фирмой UTC, а в России – Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) совместно с Российской космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева. Эти ЭЭУ отличаются от корабельных меньшей мощностью, энергоемкостью и ресурсом ТЭ.

       Анализ литературных источников  свидетельствует о том, что  к началу 1990-х годов большинство  фирм и исследователей, работавших в области создания ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭЩЭ, эти работы прекратили. Это объясняется следующими причинами: необходимостью использования чистого водорода и кислорода, применения в больших количествах платиновых катализаторов, относительно невысоким ресурсом, сложностью использования низкопотенциальной теплоты, генерируемой в ТЭ, и в конечном счете высокими капитальными затратами (ориентировочная стоимость 1 кВт установленной мощности ЭЭУ составляет более 10000 долларов США). 

     Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов с твердополимерным электролитом

     В топливных элементах с твердополимерным электролитом (ТПТЭ) ионным проводником  является ионообменная мембрана с проводимостью  по ионам водорода (протонам).

       Впервые ЭХГ с ТПТЭ были разработаны американской фирмой General Electric Co. для космического корабля Geminy. ЭЭУ включала в себя ЭХГ, систему криогенного хранения топлива и окислителя и аккумуляторную батарею. В ЭХГ входили три батареи ТПТЭ мощностью 1,8 кВт и напряжением 25–30 В. Масса батареи была 31 кг, ресурс – 2000 ч.

       Позднее наибольших успехов в  разработке ЭЭУ с ТПТЭ достигли  фирмы UTC совместно с Los-Alamos National Laboratory (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия).

       Так, фирмой Siemens в 1990-х годах была успешно завершена разработка ЭЭУ для подводной лодки U-1 на базе ЭХГ с ТПТЭ. Учитывая положительные результаты натурных испытаний подводной лодки U-1 с такой энергоустановкой, в ФРГ фирмы HDW и Thyssen выполнили проектирование и строительство новых лодок проекта 212.

     В 2001–2006 годах фирмы UTC (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) создали  также опытные образцы стационарных ЭЭУ с ТПТЭ мощностью от одного до сотен киловатт для объектов малой  энергетики. Удельная мощность ЭЭУ при длительной нагрузке составляет 100–400 Вт/кг, ресурс – 5000–20000 часов, доля мощности на собственные нужды в зависимости от назначения и режима эксплуатации 10–20 %. Стоимость демонстрационных образцов ЭЭУ составляет по разным оценкам 4000–5000 долларов США. В СССР, а затем в России разработками ЭЭУ с ТПТЭ занимались в УЭХК, в Институте электрохимии РАН, в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ ВНИИЭФ), в Российском национальном центре «Курчатовский институт», в Московском энергетическом институте (МЭИ), а также в ОАО «СКБК». Наибольших практических результатов по созданию действующих образцов ЭЭУ с ТПТЭ в России добились специалисты направления водородной энергетики ОАО «СКБК» под руководством В.Б. Авакова.

       В 2003 г. направление водородной  энергетики ОАО «СКБК» вошло  в состав ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ»).

       В настоящее время ФГУП «ЦНИИ  СЭТ» является единственной в России организацией, обладающей совместно со сложившейся кооперацией соисполнителей реальным опытом создания и сдачи государственной комиссии ЭЭУ с ЭХГ. Так, в 2004–2005 годах были разработаны аванпроекты ЭЭУ для резервного электроснабжения потребителей мощностью 5 кВт и ЭЭУ для комбинированного электро- и теплоснабжения электрической мощностью 5 кВт и тепловой мощностью 7 кВт [2, 8]. На рис. 4 в качестве примера представлены некоторые проектные решения ФГУП «ЦНИИ СЭТ». 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Термоэмиссионные преобразователи энергии

        В основе термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП) лежит явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в том, что если какой-либо металл, нагретый до некоторой температуры, поместить в вакуум, то некоторое количество его электронов перейдет в вакуум. При этом переходе электроны должны преодолеть энергетический барьер, называемый работой выхода, составляющий обычно несколько электрон-вольт. При низких температурах средняя энергия свободных электронов существенно меньше работы выхода и лишь ничтожное количество электронов может испускаться в вакуум. С ростом температуры это количество очень быстро нарастает. Явление термоэлектронной эмиссии широко используется в электронных лампах, в ускорителях электронов и т.п.

        Когда нагретое металлическое  тело помещено в вакуум, через  некоторое время между ним  и электронным облаком, его  окружающим, устанавливается разность потенциалов, прекращающая дальнейшую эмиссию электронов. В этих условиях, сколько электронов выходит в единицу времени из металла в вакуум за счет термоэлектронной эмиссии, столько же возвращается в него за счет конденсации электронов. Равновесная разность потенциалов между металлом и электронным облаком как раз равна работе выхода металла. Электроны, эмитируемые телом (оно в этом случае называется катодом или эмиттером), можно отбирать, например, размещая рядом с катодом анод и прикладывая между этими электродами напряжение соответствующего знака. Максимальное количество электронов, которое можно отобрать в единицу времени с единицы поверхности эмиттера, называется током насыщения.

        Такой электронный ток в вакууме  используется в электронных лампах, которые до недавнего времени составляли основу всех электронных приборов.

     Термоэмиссионный  генератор (ТГ) – это два плоских (или коаксильных) электрода, разделенных промежутком и включенных в цепь с нагрузкой. На катод от источника теплоты поступает энергия, достаточная для поддержания термоэлектронной эмиссии (процесс самопроизвольного испускания электронов с поверхности тела в окружающую газовую среду или вакуум). В процессе эмиссии электронов катод охлаждается, электроны из катода попадают на анод. При этом электроны отдают аноду часть своей кинетической энергии, нагревают его и создают избыток их на аноде. Избыток электронов стекает по внешней цепи вновь на катод, таким образом, идет постоянный ток. Промежуток между горячей и холодной пластинами заполняют парами цезия, у которых атомы легко распадаются на ионы и электроны. КПД современных термоэмиссионных генераторов 15—20 %.

        Интерес к ТЭП первоначально  возник в связи с возможностью  создания ядерной энергетической  установки, основанной на этом  принципе преобразования энергии. В этом случае привлекает то, что можно создать компактный реактор-генератор, у которого вся энергопроизводящая часть встроена в саму  активную зону и не содержит движущихся частей, а во вне имеется лишь контур охлаждения. В такой схеме сам тепловыделяющий элемент (твэл) выполняется в виде ТЭП. На поверхность оболочки, в которой заключено ядерное топливо, наносится материал эмиттера. Вся эта сборка помещается в трубу, являющуюся коллектором. Пространство между эмиттером и коллектором образует рабочий зазор ТЭП. Коллектор также заключен в трубу, внутри которой протекает теплоноситель, отбирающий теплоту от коллектора.