Топливные ячейки (Fuel Cells)

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)

 

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.