ИТ-портал компании «Инфосистемы Джет»

Топливные ячейки (Fuel Cells)

Топливные ячейки (Fuel Cells)

Топливные ячейки как перспективная технология начали разрабатываться относительно давно (NASA заинтересовалось этим направлением в начале 1950-х гг.), однако лишь в последние годы они нашли свое непосредственное техническое воплощение. В 2000 г. в США технология получила развитие на прикладном уровне, уже в 2004 г. состоялся запуск экспериментальной теплоэнергетической установки на топливных элементах в жилом квартале пригорода Нью-Йорка. Установка обеспечивала жителей электроэнергией и теплом.

Если говорить о коммерческом производстве, в августе 2008 г. компании APC (American Power Conversion) и Hydrogenics объявили о выпуске новых энергетических модулей на основе топливных элементов для контейнерных дата-центров. Мощности декларировались на уровне 10, 20 и 30 КВт, что вполне соответствовало потреблению контейнерных ЦОДов.

Рис. 1. Модель PureCell®400 кВт (9Х12 м)

Модель PureCell®400 кВт (9Х12 м)

Решение было предназначено в том числе для удаленных дата-центров, поскольку топливные ячейки позволяют обеспечить автономную работу небольшого ЦОДа сроком до месяца. В настоящее время в связи с отсутствием спроса компании приостановили продажи и развитие производства.

Виды топливных элементов (ТЭ) ТЭ классифицируют по используемому в них топливу, характеру применения, рабочему давлению и температуре:

  • Протонный обменный мембранный ТЭ (Proton Exchange Membrane, PEM)
  • Щелочной ТЭ (Alkaline Fuel Cells, AFC)
  • Фосфорнокислый ТЭ (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)
  • ТЭ с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)
  • ТЭ с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)
  • ТЭ с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)
  • Воздушно%цинковый ТЭ (Zinc%Air Fuel Cells, ZAFC)
  • Протонный керамический ТЭ (Proton Ceramic Fuel Cells, PCFC)
  • Регенеративный ТЭ (Regenerative Fuel Cells, MFC)
  • Микробный ТЭ (Microbial Fuel Cells, MFC)

На данный момент инсталляции топливных ячеек существуют в 19 странах мира. Преобладающее большинство из них имеют статусный характер и располагаются на базе научно-исследовательских университетов. В России топливные ячейки пока также остаются на уровне экспериментальных изысканий, находящихся под контролем государства. Одним из стимулов для повсеместного внедрения решения в нашей стране является высокая степень изношенности трубопроводов тепловых сетей (~230 тыс. км теплотрасс). При производстве электроэнергии на топливных элементах выделяется большое количество тепла, которое можно использовать в сфере ЖКХ и промышленности, устанавливая топливные ячейки в непосредственной близости от потребителя.

Принцип работы PEM

Рассмотрим механизм функционирования протонных обменных мембранных топливных элементов – одних из самых распространенных в своем классе. Первое, что нужно отметить: источники получения электроэнергии в PEM возобновляемы (водород и кислород). Топливная ячейка в данном случае состоит из двух электродов – анода и катода, между которыми расположена протонно-обменная полимерная мембрана. На анод подается чистый водород под давлением 1,5–2,7 атмосферы, в результате молекулы водорода разделяются на электроны и протоны. Протоны H+ проводятся через мембрану и оседают на катоде, в то время как свободные электроны проходят через нагрузку и уходят во внешнюю цепь, приводя в действие электродвигатель. На катализаторе H+ объединяются с «вернувшимися» электронами и кислородом, образуя молекулы воды. В результате произошедшей химической реакции выделяется большое количество тепла, в случае, если оно используется для нужд ЖКХ, КПД технологии достигает 80–90%.

Рис. 2. Механизм работы PEM (по материалам http://www.krugosvet.ru)

Механизм работы PEM

Американцы были покорены ручейком воды, образующимся на выходе вместо букета зловредных веществ. Безобидность отходов технологии у многих вызывает экологический восторг.

Преимущества решения

  • Прежде всего, высокий КПД (около 45–50%), он превышает аналогичный показатель дизельного генератора (его максимум – 35%), поскольку для дизель-генераторной установки характерно ступенчатое преобразование энергии. В топливной ячейке в результате химической реакции энергия – электрический ток – выделяется непосредственно «здесь и сейчас», благодаря одному процессу.
  • Легкая масштабируемость. Мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков. КПД в этом случае не уменьшается, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые.
  • Экологичность и безотходность технологии.
  • Удобство размещения. Топливные элементы можно устанавливать непосредственно в здании, поскольку отсутствуют выбросы загрязняющих веществ, вибрация, шум от работы оборудования и т. д.
  • Надежность (в решении отсутствуют движущиеся части) и простота эксплуатации.

Недостатки технологии

  • Первичные капиталовложения при внедрении этого решения выше, чем в случае с обычными источниками питания. С другой стороны, затраты на обслуживание ниже, поскольку процесс работы топливных ячеек максимально автоматизирован и требует присутствия минимального числа операторов.
  • Отсутствие инфраструктуры для производства топлива. Данный технологический процесс требует участия чистого водорода. Он может быть получен из природного газа, но для этого необходимы установки по его переработке и транспортировке. И здесь возни-кает замкнутый круг: поскольку спрос на топливные ячейки отсутствует, нет инфраструктуры, что в свою очередь препятствует популяризации решения.
  • Время ввода топливной ячейки в эксплуатацию может составлять от 1 до 8 часов.
    Мы не рекомендуем использовать этот источник для питания ЦОДа, который необходимо быстро восстановить после произошедшей аварии. Либо придется прибегать к резервированию 2N – ставить две топливные ячейки или резервировать их традиционными источниками питания. Необходимо помнить и о том, что перезагрузка топливных элементов также занимает определенное время.
  • Непредсказуемость последствий любой возможной аварии для механизма работы топливных ячеек.
  • Для нашей страны существует специфическая проблема, заключающаяся в сложности получения официального разрешения на запуск топливных ячеек в эксплуатацию. На данный момент не утвержден перечень согласований, которые необходимо получить для начала работы. Соответствующие документы находятся на стадии разработки.

Рано или поздно все ведущие страны обратятся к использованию топливных ячеек, поскольку дефицит природных ресурсов начинает ощущаться уже сейчас.

И получение жизненно необходимой электроэнергии буквально из воздуха и воды станет общераспространенным явлением.

Вернуться к списку статей
Оставьте комментарий
Мы не публикуем комментарии: не содержащие полезной информации или слишком краткие; написанные ПРОПИСНЫМИ буквами; содержащие ненормативную лексику или оскорбления.
О журнале

Журнал Jet Info регулярно издается с 1995 года.

Узнать больше »
Подписаться на Jet Info

Хотите узнавать о новых номерах.

Заполните форму »
Контакты

Тел: +7 (495) 411-76-01
Email: journal@jet.su