Многообещающий надежный топливный элемент на метане
Метановый топливный элемент может стать ответом на вопросы снижения стоимости и повышения практичности подобных устройств. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Energy [1], ученые обнаружили новый топливный катализатор, позволяющий переосмыслить топливные элементы.
Новый топливный элемент может работать при гораздо более низкой температуре
Катализатор не зависит от дорогого водородного топлива. Вместо этого он создает свой собственный водород из легко доступного метана. И более того, ему удается это делать при более низкой температуре, чем это происходит в типичных метановых топливных элементах.
Обычно для работы таких топливных элементов требуется температура от 750 до 1000 градусов по Цельсию. Для устройства, которое сконструировали исследователи, потребовалось всего около 500 градусов по Цельсию. Это невероятно, потому что этот показатель даже лучше, чем у двигателей внутреннего сгорания, которые обычно работают при температуре около 600 градусов по Цельсию.
Эта более низкая температура может послужить созданию экономически эффективной вспомогательной технологии, необходимой для эксплуатации топливного элемента. Более того, для этого топливного элемента не требуется главный компонент, известный как паровая конверсия, необходимая для преобразования метана и воды в водородное топливо.
Метановый топливный элемент может стать коммерчески успешным продуктом
Исследователи построили свою работу на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые хорошо известны своей универсальностью.
Если предлагаемая технология в конечном итоге выйдет на рынок, то с ее помощью, кроме использования в автомобилях, можно будет создать децентрализованную, дешевую и экологически чистую электросеть.
Предполагается, что размер топливного элемента будет не больше, чем обувная коробка. Благодаря таким размерам устройство можно будет легко хранить дома. «Это спасло бы общество и промышленность от огромных затрат на возведение новых электростанций и электрических сетей большой протяженности». «Это сделало бы дома и предприятия более независимыми от энергоснабжающих компаний».
Источник: Georgia Institute of Technology
Источник
В обход Карно. Как работают топливные элементы и почему за ними будущее
Электрохимическая энергетика на топливных элементах пока не встроена в современную энергосистему, но скоро все должно поменяться. Юрий Зайков, директор Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук, рассказал корреспонденту «Чердака», зачем совмещать топливные элементы с солнечными батареями, атомными электростанциями и газопроводами.
— Что такое топливные элементы?
— Топливные элементы бывают разного строения, но принцип работы у всех них практически одинаковый: есть два электрода, они разделены мембраной с проводимостью по ионам кислорода или протонам, а на электродах протекают различные электрохимические реакции. Например, на одном электроде топливного элемента в присутствии ионов кислорода окисляется топливо — в результате образуются электроны, уходящие во внешнюю цепь, и продукты окисления — водяной пар и углекислый газ. А на другом электроде электроны из внешней цепи взаимодействуют с кислородом воздуха и образуются ионы кислорода, которые переносятся через мембрану к первому электроду.
— Это в чем-то похоже на работу аккумулятора?
— Если только самим принципом работы, основанном на электрохимических реакциях на электродах. В остальном это совершенно разные вещи: аккумуляторы циклически накапливают и отдают электроэнергию, а топливные элементы могут ее постоянно производить — надо только подводить топливо и окислитель, например кислород. При этом в топливных элементах химическая энергия напрямую превращается в электрическую, минуя цикл Карно. Сжигая углеводороды в тепловых двигателях, мы сначала преобразуем их химическую энергию в тепловую, потом тепловую — в механическую, и только потом — механическую в электрическую. На каждом этапе теряется эффективность, и КПД даже самых больших электростанций составляет около 40%. В топливных элементах мы как бы электрохимически сжигаем топливо без дополнительных промежуточных стадий, и в результате их КПД достигает 60%.
— Какие топливные элементы делают у вас в институте и какой у них КПД?
— Мы специализируемся на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах. Их мембраны изготовлены из смеси оксидов и проводят не протоны, а кислород. Наш институт с начала 1960-х годов был лидером области не только в Советском Союзе, но и в Европе. В конце 80-х мы сделали первый в Европе киловаттный топливный элемент. Сейчас мы ушли далеко вперед — повысили мощности, пробуем топливные элементы с мембранами на основе протонпроводящих электролитов вместо твердооксидных мембран, а максимальный электрический КПД наших установок — 34—37%. Я говорю «электрический», потому что в системе кроме электричества еще выделяется некоторое количество тепла, которое тоже можно утилизировать и использовать.
— Почему топливные элементы называются высокотемпературными?
— Наша мембрана начинает проводить кислород только при температуре выше 600 °C, отсюда и название. Устройство надо сначала разогреть, а потом оно за счет собственного тепла будет поддерживать нужную температуру — такой топливный элемент с «зажиганием».
— Какое топливо нужно для ваших топливных элементов?
— В качестве топлива мы обычно используем природный газ, а в качестве окислителя — всегда кислород воздуха. На входе топливного элемента стоит реформер, который может преобразовывать любое углерод-содержащее топливо в синтез-газ — смесь СO и H2. Поэтому вместо природного газа мы можем использовать и торф, и стружку, и разнообразное биотопливо. Например, мы делали работу совместно с Институтом нефтехимического синтеза, в которой показали, что с помощью наших топливных элементов можно получать электроэнергию из продуктов брожения, из браги.
— Обычно для таких эффективных и всеядных топливных элементов нужны дорогие материалы.
— Мы используем широкую гамму материалов, например диоксид циркония, стабилизированный иттрием, из которого делают мембраны. Или платину — это прекрасный материал, устойчивый как в окислительной, так и в восстановительной среде и катализирующий многие электрохимические реакции, а потому идеально подходящий для электродов. Но при переходе от первых лабораторных образцов к опытным образцам мы стараемся заменить соединения, содержащие драгоценные металлы, на другие материалы: вместо платиновых электродов для анода берем никелевый кермет, для катода — манганит лантана стронция.
— Кто изготавливает ваши топливные элементы?
— Первые опытные образцы мы делали сами, а сейчас плотно взаимодействуем с Росатомом, а точнее — с Уральским электрохимическим комбинатом. Там есть классные, очень высокой квалификации ребята, с которыми очень удобно работать. Раньше они занимались щелочными топливными элементами, но у этого типа топливных элементов очень высокие требования по чистоте топлива и другие сложности. Теперь мы работаем вместе, что позволяет пускать наши наработки уже в натуру, в производство.
— Какого размера и мощности образцы у вас уже есть?
— У нас есть налаженное производство топливных элементов мощностью в 1,5 кВт. Их высота и длина — около метра, а ширина — около 700 миллиметров.
— Можно ли совместить топливные элементы с современной энергетикой?
— В этом главная сила топливных элементов — они идеально сочетаются со многими другими устройствами. Например, можно делать тандем из топливного элемента и аккумулятора или суперконденсатора, которые накапливают электроэнергию. Такой тандем будет гибко реагировать на изменение нагрузки: топливный элемент постоянно производит энергию, часть которой идет во внешнюю сеть, а часть — запасается в накопителе, чтобы подстраховать топливный элемент в период пикового потребления. Или можно делать тройную систему из солнечной батареи, топливного элемента и электролизера, способного получать водород и кислород из воды. Здесь уже немного другая история: мы сглаживаем не пики потребления, а пики производства энергии. Когда света много, батарея питает внешнюю цепь, а избыток энергии идет на электролизер, который нарабатывает топливо для топливного элемента. Когда свет уходит — ночью, в пасмурное время, — производить энергию начинает уже топливный элемент. Подобными системами распределенной энергетики интересуются в Министерстве обороны и в ЖКХ: можно не тянуть провода к каждому дому или коттеджу, а использовать газ или тандем солнечных батарей и топливных элементов.
— Насколько это актуально в масштабах нашей страны с экономикой, построенной на углеводородах?
— Очень актуально. Вы забываете про атомную энергетику: атомные электростанции работают на одной мощности и днем и ночью в любое время года. Там значительно сложнее регулировать мощность, чем в тепловых электростанциях. Поэтому система с обратимыми топливными элементами, совмещенными с электролизерами, отлично подходит для атомных электростанций.
— Вы упоминали производство Росатома. У вас уже есть коммерческие контракты в этой области?
— Коммерческих контрактов нет, но заинтересованность уже серьезная. Кроме того, мы работаем с «Газпромом», а точнее — с «Уралтрангазом»: они хотят использовать наши топливные элементы для автономных станций защиты газопроводов от коррозии. Раньше для этих целей параллельно газопроводам пускали линии электропередачи, но теперь понимают, что удобнее и дешевле эти станции запитывать от топливных элементов, расставленных вдоль газопровода.
— Многие говорят про топливные элементы для автомобилей.
— Где-то месяца полтора тому назад мы встречались по этому вопросу с директором КамАЗ, но пока нужно очень серьезно поработать, чтобы изменить дизайн наших элементов и сделать их пригодными для автопрома.
— Над какими фундаментальными вопросами, связанными с топливными элементами, вы сейчас работаете?
— Сейчас мы больше всего работаем с протон-проводящими электролитами, призванными заменить твердооксидные мембраны с проводимостью по ионам кислорода: исследуем их физико-химические, электрохимические и механические свойства, изучаем механизмы и причины деградации. Это очень важный вопрос для практики, потому что для потребителя есть огромная разница между устройством, работающим 10 000 часов и 100 000 часов. Мы создали совместную лабораторию Уральского федерального университета и нашего Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (УрФУ и ИВТЭ УрО РАН), научным руководителем которой является греческий ученый Панайотис Циакарас, специалист в области исследования структуры и свойств твердых электролитов.
— Как вы познакомились с Циакарасом и как организовано взаимодействие с ним?
— Один из наших сотрудников в начале 2000-х годов работал в совместном проекте с профессором Циакарасом, а потом постепенно личные контакты переросли во взаимодействие лабораторий. Циакараса привлекла наша научная и экспериментальная база, и последние годы мы работали очень плотно. Я бывал у него на семинарах в лаборатории, он приезжал к нам, и сейчас мы обсуждаем, чтобы наши студенты могли проходить практику у него в лаборатории в Фессалийском университете.
— Как организовано взаимодействие между университетом и институтом в совместной лаборатории?
— Я одновременно и заведующий кафедры в университете, и директор нашего института, так что такое взаимодействие было поставлено уже давно. Но только раньше оно держалось на моем административном ресурсе, а теперь мое участие уже не нужно, все абсолютно официально. У нас регулярно проходят совместные обсуждения, молодые ребята из университета проходят у нас практику, работают, получают важную информацию из первых рук, а сотрудники института пользуются научной и производственной базой университета — это очень серьезное подспорье.
— Юрий Павлович, когда эта работа выльется в коммерческий образец, вы возьмете один для себя?
— Да, конечно. Сейчас мы дошли до мощности в 1,5 кВт, чего в России на твердооксидных топливных элементах никто не делал. Плюс мы вместе с «Уралтрансгазом» показали уже полтора года непрерывной безаварийной работы нашей установки, так что работа движется. И как только будет возможность, я обязательно возьму себе наш топливный элемент для загородного коттеджа. По-моему, это очень удобно.
— Вы верите, что это будет эффективнее обычной электросети?
— Да, конечно. Более того, я вообще не представляю современную энергетику без электрохимической. Мы каждый день пользуемся батарейками и аккумуляторами в часах, телефонах, пультах для телевизора. Появляются электромашины, а в перспективе будут и более глобальные решения. Прямое эффективное преобразование химической энергии в электрическую — это невероятно выгодно. И экологично: топливные элементы выделяют во внешнюю среду только водяной пар и углекислый газ, причем в несколько раз меньше, чем используемые в настоящее время дизель-генераторы.
Юрий Зайков, директор ИВТЭ УрО РАН и профессор УрФУ
Михаил Петров
Источник