Гибридные топливные элементы

Мы уже рассказывали читателям о топливных элементах (ТЭ, см. «Энерговектор», № 12/2012 и № 1/2013). Тогда речь шла о «чистом» преобразовании химической энергии в электрическую, происходящем без совершения механической работы. Но в последнее время всё большую популярность набирает идея создания гибридных установок, оснащённых кроме электрохимического ещё и механическим генератором (для краткости их называют гибридными ТЭ). В такой связке электрический КПД легко может достигать 60% и выше.

Немного ликбеза

Напомним читателям, что топливный элемент, или электрохимический генератор, - это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий генерации, предусматривающих сжигание твёрдого, жидкого или газообразного топлива. Топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею - с той разницей, что батарея расходует запасённую в ней энергию, а ТЭ постоянно подпитывается топливом извне.

В качестве топлива для ТЭ может использоваться не только чистый водород, но и различное водородсодержащее сырьё, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В этих случаях водород возникает при каталитическом риформинге этого сырья. Для работы топливного элемента также нужен кислород, источником которого служит воздух. При соединении чистого водорода с кислородом образуется только вода (водяной пар). При этом в атмосферу не выбрасываются никакие загрязняющие газы. Если же в качестве топлива используется, скажем, природный газ (метан), в реакции будут образовываться и другие газы, в частности, оксиды углерода и азота, однако в значительно меньшем объёме, чем при сжигании такого же количества метана. Отметим, что в любом ТЭ часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.

Тестовая система компании Toyota

В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом используемого электролита. Наибольшее распространение получили четыре варианта: ТЭ с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC), ТЭ на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC), ТЭ на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) и твердооксидные ТЭ (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Элементы ТЭ первых двух типов характеризуются относительно низкими рабочими температурами (60-200 °C), третьего и четвёртого - высокими (до 1000 °C).

Самые горячие

Для гибридных энергоустановок лучше всего подходят высокотемпературные ТЭ (MCFC и SOFC). В зависимости от принятой концепции либо выделяемое ТЭ тепло используется для выработки дополнительной энергии с помощью газовой турбины, либо сбросное тепло газовой турбины - для предварительного нагрева реагентов ТЭ или риформинга топлива.

Наиболее перспективными для создания гибридных систем представляются твердооксидные ТЭ, построенные из керамических материалов (оксидов металлов) и металлов. Твердотельная конструкция обеспечивает повышенные надёжность и долговечность благодаря меньшей коррозионной активности электролита и отсутствию проблем с его испарением и циркуляцией.

Обычно в SOFC анод изготавливается из оксида никеля-циркония (Ni-ZrO₂), а катод - из легированного стронцием манганита лантана (Sr-LaMnO₃). SOFC работает при высоких температурах (до 1000 °C), обеспечивая большее разнообразие видов используемого топлива и высокую производительность гибридной установки. Электрический КПД «чистого» SOFC, работающего на природном газе, может достигать 50%, а общий (при когенерации с использованием выделяемого тепла) - 85%. Отметим также, что большинство ТЭ других типов подвержены «отравлению» угарным газом (CO), а SOFC может использовать его в качестве топлива. Кроме того, ячейки SOFC способны работать на водороде, природном газе, пропане, биогазе, дизельном топливе, авиационном керосине и т. д.

Из высокой рабочей температуры SOFC вытекают как их преимущества, так и недостатки. В числе преимуществ - возможность риформинга углеводородного топлива с его превращением в смесь водорода и монооксида углерода (угарного газа), применяемую в качестве топлива для ТЭ. Кроме того, обеспечивается эффективная когенерация и/или интеграция с тепловым двигателем. К недостаткам же можно отнести необходимость хорошей теплоизоляции ТЭ и применения более дорогих конструкционных материалов.

При работе на углеводородном топливе (например, природном газе) SOFC обеспечивают более высокий электрический КПД, чем более низкотемпературные ТЭ. При дополнении SOFC тепловой машиной эффективность становится ещё выше. В гибридной установке, объединяющей SOFC с газовой турбиной, можно достичь значений электрической эффективности 75-80%, недостижимых для ТЭ других видов.

Твердооксидные ТЭ по конструкции могут быть цилиндрическими, планарными и монолитными. Ближе всего коммерческой реализации цилиндрические SOFC - их уже выпускают такие компании, как Siemens Power Corp., Mitsubishi Heavy Industries, Acumentrics и др. Свыше сотни предприятий по всему миру занимаются разработкой и производством SOFC. Большая часть из них находится в США, Европе и Японии.

Есть варианты

Возвращаясь к истории вопроса, отметим, что идея «гибридизации» ТЭ и газовой турбины впервые возникла в середине 1970-х годов. К 1998 г. было запатентовано более 10 концепций гибридных установок, различающихся типом ТЭ, взаимным расположением компонентов системы и рабочим давлением.

В базовой концепции ТЭ заменяет камеру сгорания цикла Брайтона/Джоуля, описывающего рабочие процессы газотурбинного двигателя внутреннего сгорания. Но вместо классического преобразования в камере сгорания химической энергии топлива в тепло здесь происходит прямое её преобразование в электроэнергию, а образующееся в процессе этого преобразования тепло используется для вращения турбогенератора, вырабатывающего дополнительно примерно 20% общей электрической мощности установки. При этом по сравнению с «чистым» турбогенератором значительно уменьшаются выбросы вредных веществ и увеличивается общий КПД.

В так называемом надстроечном цикле ТЭ газовая турбина размещается после топливного элемента, а последний служит в качестве камеры сгорания турбогенератора. Турбина использует сбросное тепло ТЭ для сжатия горючей смеси и выработки дополнительной электроэнергии.

В утилизационном цикле ТЭ располагается после газовой турбины, используя её выхлоп в качестве источника горячего воздуха. При этом ТЭ остаётся первичным генератором электроэнергии. Цикл этого типа особенно хорошо подходит для топливных элементов MCFC, которым необходимо присутствие в потоке окислителя углекислоты (для создания ионов карбоната). Она поступает из камеры сгорания турбины.

Многочисленные варианты гибридных циклов подразделяются на прямые и непрямые. В первом случае потоки рабочих сред от первых элементов установки напрямую используется последующими её элементами. ТЭ в прямом цикле обычно работает при повышенном давлении, создаваемом компрессором, который приводится в движение газовой турбиной. С этим связаны проблемы, касающиеся функционирования и деградации ТЭ. Однако прямой гибридный цикл обычно обеспечивает более высокий КПД, чем непрямой.

В непрямом гибридном цикле используются дополнительные устройства (обычно теплообменники) для разделения рабочих сред газовой турбины и ТЭ, так что поток от начальных компонентов не попадает непосредственно в последующие. Тепловая интеграция цикла достигается с большими потерями, зато ТЭ обычно работает при атмосферном давлении. При таком подходе проще управлять системой и меньше проблем для эксплуатации ТЭ, замедляется его деградация, но снижается общая эффективность, а дополнительные теплообменники увеличивают стоимость установки.

* * *

В качестве примера современной гибридной установки можно привести систему Fuel Cell-Combined Cycle (FC-CC), разрабатываемую компанией GE-Fuel Cells («дочка» GE). Здесь пакет SOFC работает в паре с газопоршневым электрогенератором Jenbacher. Поступающий в установку природный газ подвергается риформингу с образованием водорода. Образующееся таким образом топливо и кислород воздуха питают твердооксидный ТЭ. Выходящий из него горячий газ поступает в газопоршневой генератор, который вырабатывает дополнительные электроэнергию и тепло. Общий электрический КПД установки оценивается на уровне 60-65%. С учётом выработки тепла суммарная эффективность должна достигнуть 90%.