• Скачать в формате PDF

И.В. Маслов – представительство компании MTU, Москва

Высокотемпературные модульные топливные ячейки являются бесперебойными источниками генерации идеального по параметрам электрического тока. Они востребованы даже телекоммуникационными компаниями и компьютерными центрами, обычно очень чувствительными к качеству потребляемой электроэнергии.

Наряду с такими нетрадиционными источниками энергии, как солнечные батареи, ветроэлектрические станции и т. д., все более значительное место занимают так называемые топливные ячейки.
Немецкая компания MTU CFC Solutions разрабатывает и производит стационарные высокотемпературные модульные топливные ячейки (high temperature fuel cell, HTFC) в расплавах карбоната для экологически безопасной выработки электроэнергии, тепла и пара. Совместно с американской фирмой Fuel Cell Energy (FCE), производителем топливных элементов, MTU CFC Solutions запустила в эксплуатацию более 35 энергоустановок.
Высокотемпературные топливные ячейки, работающие на природном газе, могут генерировать 245 кВт электрической и 180 кВт тепловой мощности. Электрический КПД установки составляет при этом около 47%. Сравнение подтверждает: КПД жидкокарбонатной топливной ячейки выше, чем у других энергетических установок. Работает она практически бесшумно и без вибрации, что делает установку потенциально привлекательной для работы в городских условиях. На базе HTFC MTU возможна как утилизация тепла, так и генерация холода. Кроме природного газа, установки могут использовать в качестве топлива биогаз, угольный и рудничный газы, синтетические газы с высокой теплотой сгорания.
Топливные ячейки HTFC MTU наработали суммарно около 180000 часов и были рекомендованы к серийному производству. Они имеют низкий уровень эмиссии и требуют значительно меньше воздуха для процесса горения, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания.
Топливные ячейки работают при температуре 650 °С, при этом возможна генерация пара температурой около 400 °С. Пар может использоваться для различных технологических нужд: например, для стерилизации медицинских инструментов в госпиталях, для вулканизации шин и т. д. Генерируемое тепло может также использоваться для генерации холода с помощью абсорбционных машин.
Благодаря высокому КПД уровень эмиссии углекислого газа несопоставимо ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Принципиальным является и тот факт, что в составе HTFC не используется каких-либо редких материалов.

Принцип действия высокотемпературного модуля топливных ячеек

Анод и катод внутри модуля разделяются мембраной. При поступлении водорода на анод и кислорода на катод начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. Данный процесс является обратным электролизу.
Мембрана между анодом и катодом состоит из электролита карбоната. Поэтому такое оборудование и относится к типу топливных ячеек в расплавах карбоната.
Ионы карбоната (СО_3-2) проходят через мембрану и достигают анода, где свободный атом кислорода соединяется с водородом, превращаясь в воду, стекающую вниз. Параллельно образуются углекислый газ и два свободных электрона. Электроны движутся по проводнику к катоду, генерируя электрический ток.
Таким же образом оставшиеся молекулы СО₂ поступают на катод, где абсорбируются свободные электроны и атом кислорода из воздуха. Затем углекислый газ участвует в реакции в качестве ионов карбоната.
Рабочая температура в модуле, составляющая около 650 °С, обеспечивает следующие преимущества:
•    возможность производства пара и холода;
•    достижение наивысшего КПД за счет реформинга газа внутри ячейки;
•    возможность применения традиционных металлов (с их обычной обработкой) как для ячеек, так и для модуля.

Устройство высокотемпературного модуля ВМ (MTU)

Высокотемпературный модуль отличает компактное расположение всех горячих компонентов в одном цилиндрическом корпусе. Его ключевым элементом является модуль топливных ячеек, расположенный горизонтально, – это позволяет подавать топливный газ снизу. В то же время под собственным весом модуля происходит герметизация всех стыков по газовому тракту, что повышает безопасность работы установки.
После сборки модуля, состоящего из индивидуальных топливных ячеек, его размещают внутри ВМ и монтируют вместе с топливной системой газоподачи. Высокотемпературные модули имеют ограниченные габаритные размеры, и их можно устанавливать в существующих помещениях. Кроме того, их легко транспортировать и осуществлять техобслуживание.
Интегрированная в ВМ система подачи газа позволяет обойтись без дорогостоящего монтажа труб для подвода газа, воздуха, отвода выхлопных газов, подачи воды.
Основными особенностями ВМ являются компактность и эффективность. Все горячие части объединены в одном контейнере, поэтому нет необходимости в периферийном размещении компонентов, что влияет на повышение уровня КПД.
Поступающий топливный газ подается на вертикально расположенные каналы анодов через газораспределительное устройство. При температуре 650 °С при взаимодействии природного газа и пара на анодах выделяется водород.
Газ, локально генерируемый с верхней части анодов, перемешивается с дополнительно подаваемым воздухом, после чего каталитически оксидируется.
Газовая смесь содержит углекислый газ и кислород, необходимые для выделения на катодах. Вентилятор обеспечивает циркуляцию газовой смеси по горизонтально расположенным каналам катодов. Образующийся на катодах газ имеет достаточно высокую температуру и может использоваться для когенерации тепла.

Компоненты мини-ТЭЦ на базе HTFC

Теплоэлектростанция состоит из трех блоков:
•    высокотемпературного модуля, который является основной частью мини-ТЭЦ. Он включает в себя горизонтально расположенный модуль топливных ячеек; камеру смешения наружного воздуха и газов, образующихся на анодах и катодах; сборник катодного газа; два циркуляционных вентилятора и подогреватель для запуска;
•    блока подготовки газа для топливных ячеек, где газ очищается от серы, подогревается и увлажняется;
•    инвертора и модуля управления.
Постоянный ток от топливных ячеек преобразуется в переменный и поступает в общую сеть. С помощью системы управления может осуществляться дистанционное управление HTFC (обычно мини-ТЭЦ на базе топливных ячеек функционируют автономно).

Преимущества HTFC MTU

Многие преимущества мини-ТЭЦ на базе HTFC MTU свойственны всем высокотемпературным топливным ячейкам, но существуют такие, которые отмечаются только у этого типа электростанций.
Экологичность
•    низкая эмиссия выхлопных газов;
•    бесшумная работа;
•    экономия природных ресурсов, так как HTFC функционируют на возобновляемых источниках.
Высокая эффективность
•    электрический КПД в составе станции составляет 47%. При дооснащении мини-ТЭЦ паровыми турбинами возможно достижение суммарного электрического КПД до 65%;
•    утилизация тепла при больших температурах;
•    отсутствие необходимости в техобслуживании.
Гибкость
•    использование различных газов в качестве топлива с сохранением высокого уровня КПД (природный и угольный газ, биогаз, синтетические газы, в том числе метанол, а также другие газообразные или жидкие газокарбонаты);
•    идеальная установка для выработки электроэнергии и утилизации тепла или генерации холода.
Надежность
•    коэффициент готовности – 98% (благодаря небольшому количеству сменных узлов);
•    высокое качество генерируемой энергии;
•    конструктивно несложная структура системы.
HTFC MTU вырабатывают электрический ток постоянного или переменного напряжения без отклонения выходного напряжения и частоты от постоянного значения. В связи с этим они востребованы даже телекоммуникационными компаниями и компьютерными центрами, которые обычно очень чувствительны к качеству потребляемой электроэнергии.
Дополнительным преимуществом HTFC MTU является территориальная близость к потребителю, что делает их идеальными для использования в качестве независимого источника электроэнергии.