Высокотемпературные топливные ячейки

Наряду с такими нетрадиционными источниками энергии, как солнечные батареи, ветроэлектрические станции и т. д., все более значительное место занимают так называемые топливные ячейки.

Немецкая компания MTU CFC Solutions разрабатывает и производит стационарные высокотемпературные модульные топливные ячейки (high temperature fuel cell, HTFC) в расплавах карбоната для экологически безопасной выработки электроэнергии, тепла и пара. Совместно с американской фирмой Fuel Cell Energy (FCE), производителем топливных элементов, MTU CFC Solutions запустила в эксплуатацию более 35 энергоустановок.
Высокотемпературные топливные ячейки, работающие на природном газе, могут генерировать 245 кВт электрической и 180 кВт тепловой мощности. Электрический КПД установки составляет при этом около 47%. Сравнение подтверждает: КПД жидкокарбонатной топливной ячейки выше, чем у других энергетических установок (рис. 1).

(нажмите на картинку для её увеличения)

Работает она практически бесшумно и без вибрации, что делает установку потенциально привлекательной для работы в городских условиях. На базе HTFC MTU возможна как утилизация тепла, так и генерация холода. Кроме природного газа, установки могут использовать в качестве топлива биогаз, угольный и рудничный газы, синтетические газы с высокой теплотой сгорания.

Топливные ячейки HTFC MTU наработали суммарно около 180 000 часов и были рекомендованы к
серийному производству. Они имеют низкий уровень эмиссии и требуют значительно меньше воздуха для процесса горения, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания.

Топливные ячейки работают при температуре 650 °С, при этом возможна генерация пара температурой около 400 °С. Пар может использоваться для различных технологических нужд: например, для стерилизации медицинских инструментов в госпиталях, для вулканизации шин и т. д. Генерируемое тепло может также использоваться для генерации холода с помощью абсорбционных машин.

Благодаря высокому КПД уровень эмиссии углекислого газа несопоставимо ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Принципиальным является и тот факт, что в составе HTFC не используется каких~либо редких материалов.

Компоненты мини-ТЭЦ на базе HTFC

Теплоэлектростанция состоит из трех блоков (рис. 5):
(нажмите на картинку для её увеличения)

• Высокотемпературного модуля, который является основной частью мини-ТЭЦ. Он включает в себя горизонтально расположенный модуль топливных ячеек; камеру смешения наружного воздуха и газов, образующихся на анодах и катодах; сборник катодного газа; два циркуляционных вентилятора и подогреватель для запуска;
• Блока подготовки газа для топливных ячеек, где газ очищается от серы, подогревается и увлажняется;
• Инвертора и модуля управления.

Постоянный ток от топливных ячеек преобразуется в переменный и поступает в общую сеть. С помощью системы управления может осуществляться дистанционное управление HTFC (обычно мини-ТЭЦ на базе топливных ячеек функционируют автономно). Технические данные мини-ТЭЦ приведены в таблице.

Преимущества HTFC MTU:

Многие преимущества мини-ТЭЦ на базе HTFC MTU свойственны всем высокотемпературным топливным ячейкам, но существуют такие, которые отмечаются только у этого типа электростанций.

Экологичность

• Низкая эмиссия выхлопных газов;
• Бесшумная работа;
• Экономия природных ресурсов, так как HTFC функционируют на
  возобновляемых источниках.

Высокая эффективность

•  электрический КПД в составе станции составляет 47%.
• При дооснащении мини~ТЭЦ паровыми турбинами возможно достижение суммарного электрического КПД до 65%;
• Утилизация тепла при больших температурах;
• отсутствие необходимости в техобслуживании.

Гибкость

• использование различных газов в качестве топлива с сохранением высокого уровня КПД (природный и угольный газ, биогаз, синтетические газы, в том числе метанол, а также другие газообразные или жидкие газокарбонаты);
• идеальная установка для выработки электроэнергии и утилизации тепла или генерации холода.

Надежность

• коэффициент готовности – 98% (благодаря небольшому количеству сменных узлов);
• высокое качество генерируемой энергии;
• конструктивно несложная структура системы.

HTFC MTU вырабатывают электрический ток постоянного или переменного напряжения без отклонения выходного напряжения и частоты от постоянного значения. В связи с этим они востребованы даже телекоммуникационными компаниями и компьютерными центрами, которые обычно очень чувствительны к качеству потребляемой электроэнергии.

Дополнительным преимуществом HTFC MTU является территориальная близость к потребителю, что делает их идеальными для использования в качестве независимого источника электроэнергии.

В.И. Маслов, журнал "Турбины и дизели"