Техника - молодёжи 1989-11, страница 63

кают топливо (водород, метанол, полученный при газификации угля газ и т. д.), через катод — окислитель (кислород, воздух). Ионы водорода, поступающие из анода, проходят через электролит к катоду, а поток электродов передается во внешнюю цепь, где возникает постоянный электрический ток. Весь процесс схематически изображен на рис. 2.

Принципиальная схема ЭСТЭ показана на рис. 3. Кроме батарей ТЭ и вспомогательного оборудования, в нее входят две подсистемы — для получения водорода (путем конверсии органического топлива или газификации угля) и для преобразования постоянного тока в переменный.

Первое поколение ТЭ. Наибольшего технологического совершенства сейчас достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при 200— 230°С либо на жидком топливе или природном газе, либо на техническом водороде (продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом служит фосфорная кислота, которая заполняет легкопористую углеродную матрицу. Электроды здесь также углеродные, а катализатором является платина (в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).

Разрешение на пуск нью-йоркской ЭСТЭ было дано в апреле 1984 года, но к тому времени «состарились» давно смонтированные топливые элементы, была допущена утечка электролита, а его добавление в демонстрационном варианте не предусматривалось. По словам специалистов, реконструировать эту станцию нецелесообразно.

Но две аналогичные электростанции США поставили в Японию, и первая из них с усовершенствованными ТЭ и упрошенной схемой была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным или превосходили их. Она работала с нагрузкой от 25 до 100% от номинальной. КПД достигал почти 37%; это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния — от 4 ч до 10 мин., а продолжительность набора нагрузки от нулевой до полной составляет всего 15 с.

Кроме этого, четыре японские фирмы проектируют каждая свою демонстрационную установку мощностью 500 кВт (вот пример пользы конкуренции!). Одна из них будет вырабатывать и тепло. После освоения и испытания этих установок японцы намерены создать энергоблок мощностью 10, а затем 30—50 МВт.

В США намечено соорудить несколько стандартных, однотипных демонстрационных ЭСТЭ мощностью по 11 МВт. При этом много внимания обращают на сроки строительства и площадь, занимаемую электростанцией. Дело в том, что экологическая чистота ЭСТЭ позволяет размещать

ТЕГМО

Постоянный ток

ПЕРе/ИЕННЫЙ ТВ4ЬОТ4ННOEv Топливо -"ТОК

о⁺

их непосредственно в городах. Это само по себе немалое преимущество станет особенно важным, если удастся возводить их быстро и на небольших участках. Уже сейчас срок сооружения ЭСТЭ надеются довести до 7 месяцев. А самой сложной строительной машиной будет гусеничный кран грузоподъемностью в 180 т, да и он понадобится только на три месяца.

Если первая ЭСТЭ в Нью-Йорке мощностью 4,5 МВт заняла территорию в 1,3 га, то для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка с размерами всего 30X 60 м, причем на ней в процессе строительства уместятся и все вспомогательные службы, и техника.

Расчетный срок службы новых ЭСТЭ — 30 лет, то есть приближается к крупным современным ТЭС и АЭС. Правда, в течение этого периода потребуется менять батареи топливных элементов. Станция состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т, каждая размещается в корпусе диаметром чуть более 2 и высотой около 5 м. Детально продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции, движущейся по рельсам внутри здания. Замена потребует 2—3 дня.

Одна из таких стандартных электростанций должна быть введена в строй в штате Калифорния в начале 90-х годов. Подобные станции будут «модульными» — это означает, что их мощность можно наращивать простым добавлением таких же блоков-модулей по 11 МВт.

Топливные элементы первого поколения могут нагревать воду до 130°С. Сейчас в разных районах США испы-тываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования тепла топлива 80%. Они размещены в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т. д.; около полусотни установок уже проработали в общей сложности сотнн тысяч часов. Несколько таких установок испытываются в Японии.

Выделено 2,6 млн. долларов на создание более крупных теплофикационных установок с топливными элемен тамн на природном газе для коммерческих и промышленных предприятий; сначала по 100 кВт, а затем в несколько мегаватт.

Рис. 3. Принципиальная схема электростанции на топливных элементах.

PUc. 4. Принципиальная схема промышленной энергоаккумулирующей уста новки с использованием топливных элементов.

Воздуху

д

Топливным 6/1&WFHT

ПЕРСПЕКТИВЫ

Тем временем в США уже проектируются модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения, работающими при 650—700°С. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды — из спеченного и окисленного алюминия, электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить еще две крупные электрохимические проблемы — снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода и повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде, что позволит увеличить срок службы новых ТЭ.

Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура — до 1000°С КПД энергоустановок с та кими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля — уже со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.

Фирма «Вестингауз» занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Сейчас она разрабатывает энергоустановки мощностью 25—200 кВт, где можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям эксперимен тальные установки мощностью в несколько киловатт. Другая американская фирма — «Энгельхард» — проектирует 50-киловаттные топливные элементы, работающие на метаноле, с фосфорной кислотой в качестве электролита.

61