ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Перспективы применения

Алексей Михайлов, д.т.н., профессор
Виктор Сайданов, д.т.н., доцент
Военный инженерно-технический университет
Игорь Ландграф, инженер, ФГУП «ЦНИИ СЭТ»
г. Санкт-Петербург

В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 5(47) 2007) петербургские специалисты начали разговор об энергетических установках для малой энергетики. Они отметили, что наиболее перспективными могут быть получающие всё большее распространение установки на основе топливных элементов, которые имеют довольно весомые преимущества над традиционными (газопоршневыми, дизельными, газотурбинными).
Авторы уже рассказали об электрохимических энергоустановках на базе топливных элементов со щелочным электролитом и с твердополимерным электролитом. Сегодня – продолжение материала.

Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов с фосфорнокислым электролитом

Электрохимические энергоустановки (ЭЭУ) на базе электрохимических генераторов (ЭХГ) с фосфорно-кислыми топливными элементами (ТЭФК) работают при более высоких температурах (180–230 ^ОС), поэтому они не столь требовательны к чистоте потребляемого водорода, как ЭХГ с низкотемпературными топливными элементами со щелочным и твердополимерным электролитом, а в качестве окислителя могут использовать неочищенный от СО2 воздух.
За рубежом из всех типов ЭЭУ с ТЭФК наиболее отработаны и подготовлены к коммерческому использованию. В настоящее время известны опытно-промышленные разработки в этой области американских (United Technologies Corp. (UTC), Westinghouse), японских (Fuji Electric Co, Toshiba, Mitsubishi Electric Corp., Hitachi Ltd. и др.) фирм [1, 2, 3, 4].
В России данное направление электрохимической энергетики практически не развивалось, хотя известны научно-исследовательские работы, которые проводились в РКК «Энергия» им. С.П. Королева [1].
В настоящее время в целом ряде стран, в том числе и в России, в эксплуатации находится более 250 ЭЭУ фирмы UTC марки РСТМ. На рис. 1 и 2 представлена упрощенная схема и внешний вид контейнер- ной ЭЭУ, установленной в г. Видное Московской области, для электро- теплоснабжения производственного здания ОАО «Оргэнергогаз». В табл. 1 представлены основные характеристики ЭЭУ РС^ТМ. В 1983 году фирма UTC смонтировала в Японии демонстраци- онную ЭЭУ мощностью 4,8 МВт. ЭЭУ состоит из трех блоков: ЭХГ, преобразователя постоянного тока в переменный и блока подготовки топлива. Блок ЭХГ состоит из отдельных модулей. Газы, подаваемые в ЭХГ, имеют состав (в мольных долях): 0,7 Н₂, 0,29 СО₂ и СО <= 0,01. ЭЭУ эксплуатировалась с 1983 по 1986 г. [1], выработав за это время 5,4 ГВт•ч электроэнергии. В табл. 2 представлены основные характеристики ЭЭУ, установленной в Японии. Из литературы известно, что в 1990-х годах UTC совместно с фирмой Toshiba построила в Японии электростанцию с аналогичной ЭЭУ мощностью 11 МВт, которая в настоящее время проходит опытную эксплуатацию.
Более широкому внедрению ЭЭУ с ЭХГ на основе ТЭФК, так же как ЭХГ с ТЭЩЭ и ТПТЭ, препятствуют их высокие стоимостные показатели, так как уровень рабочих температур не позволяет полностью исключить из конструкции топливных элементов драгоценные металлы. Кроме того, ЭХГ с ТЭФК имеют относительно низкий КПД по сравнению с ЭХГ с щелочным и твердополимерным электролитом.

В силу указанных обстоятельств, по мнению авторов работ [5, 6], следует ожидать, что эти установки будут постепенно вытеснены с энергетического рынка более перспективными для коммерческого использования установками с высокотемпературными топливными элементами (ВТТЭ) – топливными элементами с расплавленными карбонатами и твердооксидными топливными элементами.
Последние, сохраняя одно из основных достоинств электрохимических установок – экологическую чистоту, обладают по сравнению с другими типами топливных элементов целым рядом преимуществ.
В конструкции ВТТЭ не требуется применение катализаторов из драгоценных металлов, а также, что не менее важно, они значительно менее чувствительны к примесям, содержащимся в исходных реагентах, что позволяет использовать для работы ВТТЭ большинство видов углеводородного топлива (природный газ, продукты конверсии угля и жидких углеводородных видов топлива и т.п.) и неочищенный атмосферный воздух.

Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом

ЭЭУ с ЭХГ на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРКЭ) в настоящее время не получили широкого промышленного распространения, несмотря на высокий КПД, использование неплатиновых катализаторов, недорогих и доступных материалов электродов и электролита. Основной причиной этого является относительно низкий ресурс ТЭРКЭ из-за коррозии электродов при воздействии на них расплавов, окислителей, а также испарения и перетекания электролита.
Электролитом в ТЭРКЭ обычно служит расплавленная смесь карбонатов лития и калия в порах матрицы из LiAlO2. Коэффициент преобразования химической энергии топлива в электрическую ЭЭУ с ТЭРКЭ может достигать 60%, а при использовании утилизации теплоты, выделяемой при электрохимических реакциях, суммарный коэффициент использования топлива (КИТ) может достичь 90%. В настоящее время известны опытно-промышленные разработки в этой области американских (Fuel Cell Energy, Inc (FCE), M-C Power) и японских (Mitsubishi Electric Corp., Hitachi Ltd. и др.) компаний [1]. В России ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭРКЭ не разрабатывались.
В табл. 3 представлены основные характеристики комбинированной электростанции мощностью 1 МВт с ЭЭУ на базе ТЭРКЭ и турбогенератором, построенной фирмами Mitsubishi Electric Corp. и Hitachi Ltd. в Японии в 1991 году. Электростанция является комбинированной (гибридной), т.к. включает в себя два разнотипных автономных источника – ЭХГ и турбогенератор. Принцип действия комбинированной электростанции заключается в следующем. Природный газ предварительно нагревается, смешивается с паром и подается на конверсию в конвертор. Продукты конверсии поступают в ТЭ ЭХГ, анодные газы которых используются как источники теплоты в конверторе топлива. Воздух после компрессора поступает в ТЭ ЭХГ и конвертор топлива. Смесь исходного воздуха и продуктов сгорания газов в конверторе подается в катодные камеры ТЭ ЭХГ. Катодные газы (выхлоп катодов) поступают в турбину. Теплоту для выработки пара и подогрева газа получают от анодных газов и выхлопа турбины.
Демонстрационная комбинированная электростанция мощностью 1 МВт прошла успешные испытания.
Из литературы [1] также известно, что в 2002 году в США фирма FCE построила электростанцию с ЭЭУ на базе ТЭРКЭ мощностью 250 кВт для совместной выработки электрической энергии и теплоты. В процессе опытной эксплуатации ЭЭУ был достигнут КПД на выработку электрической энергии 50%, а общий КИТ (на выработку электроэнергии и теплоты) – 85%.

Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов с твердооксидным электролитом

В настоящее время в промышленно развитых странах мира проходят опытную эксплуатацию экономичные (коэффициент использования топлива более 80%), малошумные и экологически чистые ЭЭУ с ЭХГ на основе топливных элементов с твердооксидным электролитом (ТЭТО). По прогнозам, в ближайшие 3–4 года ожидается начало их массового производства.

Большой интерес к разработке данных ЭЭУ не случаен и объясняется их основными достоинствами: использование не платиновых катализаторов, меньшая чувствительность к каталитическим ядам, отсутствие жидких компонентов, миграции электролита и т.п. [1] В качестве электролита в ТЭТО обычно используется диоксид циркония ZrO2, стабилизированный триоксидом иттрия Y2O3 (8 молярных долей).
Наибольших успехов в создании ЭЭУ с ТЭТО достигли американская фирма Westinghouse и немецкая компания Siemens, которые разработали новые технологии создания пластинчатых и трубчатых ТЭТО. Из литературы [1] известно, что совместное американо-немецкое предприятие (дочерняя компания фирмы Westinghouse и Siemens) увеличило производство ТЭТО с 1000 единиц в 1998 г. до 10 000 в 2000 г. и планирует увеличить до 200 000 к 2010 г. На базе этих ТЭТО создан типовой ряд ЭЭУ для совместной выработки электрической энергии и теплоты электрической мощностью 20, 25, 50, 100 и 250 кВт, работающих на природном газе с ресурсом более 20 000 ч, электрическим КПД более 45% и общим КИТ более 80%.
В России работы по созданию и внедрению этого важнейшего для государства направления новой энергетики находятся на недостаточном уровне, хотя определенный научно-производственный задел существует. Еще в 1991 году была создана кооперация предприятий под руководством ОАО «СКБК», разрабатывающая ЭЭУ с ЭХГ на основе ТЭТО, куда вошли предприятия Уральского региона, в том числе Институт высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ УрОРАН) – основоположник разработок ТЭТО в России. При поддержке указанной кооперации, ОАО «СКБК» в 1991–1992 гг. обращалось в Правительство России с предложением по организации соответствующей программы. Предложение получило в Правительстве принципиальное одобрение, но в связи с отсутствием необходимых финансовых средств программа принята не была. Впоследствии идеи ОАО «СКБК» легли в основу предложений Минтопэнерго РФ (1994 год) по программе создания ЭЭУ с ТЭТО для включения в Президентские программы в области энергетики и энергоресурсосбережения, однако по тем же причинам и эта программа реализована не была.
Тем не менее, в ходе совместных с ИВТЭ УрОРАН работ была создана новая отечественная технология изготовления ТЭТО на основе применения многослойной высокотемпературной электропроводящей керамики, с помощью которой был изготовлен макетный образец ЭХГ мощностью до 1 кВт, прошедший всесторонние испытания на стенде ОАО «СКБК» [5, 7].
В 1994 году ОАО «СКБК» разработало проект комбинированной ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭТО и концевым парогазотурбинным циклом. Конструктивная схема установки представлена на рис. 4, а основные технические характеристики приведены в табл. 4.
В 1997 году ОАО «СКБК» под руководством главного конструктора энергоустановок на базе топливных элементов В.Б. Авакова разработало принципиально новый тип ЭХГ на основе ТЭТО с неразделенным газовым пространством, работающих на метановоздушной смеси [7].

В 2005 году [8] в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики (РФЯЦ ВНИИТФ, г. Снежинск) был разработан и изготовлен модуль батарей ТЭТО мощностью до 2 кВт. Основой модуля являлся трубчатый ТЭТО с несущим электролитом и сконструированная на его базе батарея. Единичный ТЭТО представлял собой пробирку из стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония диаметром 10 мм, с толщиной стенки 0,5 мм. Материалом анода являлся кермет, состоящий из никеля и диоксида циркония, а в качестве катодного материала использовался манганит лантана-стронция. Батарея состояла из 8 ТЭТО, электрически и по газам соединенных параллельно. Модуль батарей был скомпонован из 4 блоков по 18 батарей в каждом, общее количество ТЭТО – 576 штук. Рабочая температура ТЭТО – 950^ОС, расход водорода 2 нм³/ч, воздуха 17 нм³/ч. В режиме максимальной мощности коэффициент использования топлива достигал 86%. Начиная с 2007 года ситуация с господдержкой разработок ЭЭУ с ТЭТО коренным образом изменилась. Работы по созданию энергоустановок на основе ТЭТО для станций катодной защиты газопроводов, а также ЭЭУ, работающей на биогазе, включены в состав комплексного проекта, предусматривающего также разработку ЭЭУ С ТПТЭ для стационарных применений, в Федеральную целевую программу «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы». Головной исполнитель комплексного проекта – ФГУП «ЦНИИ СЭТ», основной исполнитель работ по ЭЭУ с ТЭТО – РФЯЦ ВНИИТФ. Привлекательность внедрения ЭЭУ с ЭХГ на основе ТЭТО состоит, помимо всего прочего, в том, что они могут использоваться как в виде самостоятельного источника электрической энергии и теплоты, так и в составе комбинированных (гибридных) энергоустановок и систем (совместно с ЭЭУ на базе ДВС, ГТУ и т.п.).
Применение ЭЭУ с ЭХГ на основе ТЭТО наиболее эффективно в качестве автономных энергоблоков малой мощности, например, для замены местных котельных, КПД которых очень низок и которые в большинстве своем не отвечают требованиям по экологии. Учитывая компактность и экологическую чистоту ЭЭУ с ЭХГ на основе ТЭТО, они прекрасно могут быть интегрированы в инфраструктуру существующих объектов жилищно-коммунального хозяйства и промышленности.
На рис. 3 представлена упрощенная схема ЭЭУ на базе ЭХГ с ТЭТО для совместной выработки электроэнергии и теплоты. В 2003 г. ФГУП «ЦНИИ СЭТ» совместно с ГОУ ВПО ВИТУ разработало защищенное патентом РФ [9] новое техническое решение комбинированной (гибридной) энергоустановки на базе ЭХГ с ТЭТО и ДВС [6]. На рис. 5 представлена упрощенная схема энергоустановки.
В этой схеме впервые предложено получать водородосодержащий газ для ТЭТО на режиме пуска установки путем термохимической конверсии топлива в собственных продуктах сгорания ДВС. В России исследования процессов термохимической конверсии различных видов топлива в собственных продуктах сгорания проводились в 1990-х годах в ГОУ ВПО ВИТУ и ряде других организаций, их результаты опубликованы в литературе, например [10, 11].

В заключение еще раз отметим, что топливные элементы позволяют осуществлять прямое преобразование химической энергии топлива непосредственно в электрическую энергию с более высоким коэффициентом полезного действия и с меньшими экологическими последствиями, чем традиционные энергетические установки.
Однако для их широкого применения требуется существенно снизить стоимость топливных элементов. Именно в этом направлении, по-видимому, будут развиваться в ближайшие годы научно-исследовательские и опытноконструкторские работы.

ЛИТЕРАТУРА