Введение к работе
Актуальность работы. С развитием малой энергетики и децентрализованного энергоснабжения у потенциальных потребителей растет интерес к схемам энергоснабжения на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
В настоящее время энергоустановки на основе ТОТЭ рассматриваются как одни из самых перспективных среди установок малой мощности (от 1 до 50 кВт). Такие установки имеют целый ряд преимуществ перед традиционными дизельными генераторами (ДГ), газотурбинными (ГТУ) и газопоршневыми установками (ГПУ).
В ТОТЭ при температурах 800 – 950С происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию постоянного тока. Это определяет высокую энергетическую эффективность энергоустановок на базе технологии ТОТЭ (электрический к.п.д. более 50 %), высокие скорости протекания электродных реакций. При этом, могут быть реализованы высокие значения удельной мощности. Важно, что при рабочих температурах ТОТЭ нивелировано влияние каталитических ядов. Толерантность к чистоте используемого топлива является одним из важных преимуществ ТОТЭ по сравнению с другими типами топливных элементов. В качестве топлива, кроме технического водорода, здесь могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ (Н2 – СО), а также отходы жилищно-коммунального хозяйства, сельского хозяйства и лесопереработки, преобразованные в биогаз. Такие энергоустановки не имеют в своем составе движущихся элементов, что предотвращает их преждевременный износ и необходимость использования расходных материалов (например, масел).
Энергоустановки на базе ТОТЭ, например, при использовании в домохозяйствах, сами могут генерировать необходимое количество электроэнергии с высокой энергетической эффективностью. При этом, можно использовать, как привозное топливо, так и централизованное (магистральный природный газ). Таким образом, потребитель может быть независим от централизованных электрических сетей или продавать излишки электроэнергии в сеть при ее наличии. Кроме, того, высокопотенциальная тепловая энергия, попутно получаемая при работе энергоустановок на базе ТОТЭ, может быть использована для подогрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Такой способ энергоснабжения лежит в концепции распределенной энергетики, когда генерация и потребление электроэнергии локализована в одном и том же месте.
За рубежом активно ведутся работы по совершенствованию ТОТЭ. Мировые лидеры в области ТОТЭ фирмы Delphi Corporation, Siemens Energy, Fuel Cell Energy Inc., Rolls-Royce, Bloom Energy, Staxera концептуально разными путями вплотную подошли к созданию коммерческих энергоустановок на ТОТЭ с высокими эксплуатационными характеристиками. В России технология ТОТЭ продвигается лишь в нескольких научных центрах (в частности, в Институте высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, в Институте Электрофизики УрО РАН (ИЭФ), в институте проблем химической физики РАН,
г. Черноголовка. Наибольший вклад в развитие технологии ТОТЭ внесли работы российских ученых: Карпачева С.В., Чеботина В.Н., Липилина А.С., Перфильева М.В., Демина А.К., Бредихина С.И., Коровина Н.В. Кроме того, расчетами гибридных установок с ТОТЭ занимались Седлов А.С., Буров В.Д., Славнов Ю.А.
Для условий применения технологии ТОТЭ в России, обладающей конкурентными преимуществами перед другими странами в добыче и использовании природного газа, необходимо рассмотреть и обосновать преимущества, которые дает технология ТОТЭ для энергоснабжения потребителей малой мощности, использующих природный газ.
Несмотря на достигнутые успехи в технологии ТОТЭ, остается и требует решения ряд проблем. В частности, эффективность работы ТОТЭ во многом определяется конструкцией топливного элемента, составом катализаторов и твердого электролита, методами их изготовления, правильной организацией процесса генерации электрической энергии. Моделирование процессов работы ТОТЭ позволяет находить параметры, при которых топливный элемент работает наиболее эффективно, сократить при этом долю трудоемкой экспериментальной работы в общем объеме научных исследований.
В последние годы было разработано большое количество математических моделей для трех типов ТОТЭ (трубчатая, планарная и монолитная). Модели позволяют описывать транспорт реагентов в зону реакции, оптимизировать процесс электрохимической реакции на электродах ТОТЭ, давать практические рекомендации для повышения эффективности процессов преобразования энергии и массопереноса в ТОТЭ. Однако, при моделировании работы ТОТЭ, помимо прочего, важен учет структурных характеристик пористых электродов и величины реальной поверхности электрохимической реакции, т.к. они во многом определяют особенности переноса газообразных реагентов в зону реакции и эффективность электрохимических преобразований на электродах. В качестве подтверждения данной гипотезы, выдвинутой в работе, поставлена задача обоснования необходимости учета структурных факторов на степень приближения результатов моделирования работы ТОТЭ к реальным характеристикам ТОТЭ, получаемым экспериментально.
Цель работы. Целью данной работы является повышение энергетической эффективности генерации энергии в ТОТЭ, а также обоснование возможности использования энергоустановок на базе ТОТЭ в малой энергетике для энергоснабжения потребителей малой мощности, использующих в качестве топлива природный газ.
Основные задачи исследования:
экспериментальное исследование состава и структурных характеристик пористых электродов ТОТЭ с учетом методов их формирования и активации;
экспериментальное определение на стенде вольт-амперных характеристик ТОТЭ и их использование для проверки адекватности результатов моделирования работы ТОТЭ;
выбор методики моделирования и моделирование процессов генерации электрической энергии в ячейках ТОТЭ с учетом параметров процесса, а также структурных характеристик пористых электродов, их геометрических размеров, также сравнение результатов моделирования с экспериментом;
выбор методики моделирования и моделирование процессов тепло- и массопереноса и распределения температур по длине и по сечению ТОТЭ в виде трубки Фильда с учетом тепловыделений в результате электрохимических реакций на аноде и катоде.
разработка практических рекомендаций по результатам моделирования;
обоснование возможности использования энергоустановок на основе ТОТЭ для нужд малой энергетики путем разработки эффективной схемы энергоснабжения потребителей малой мощности, использующих природный газ.
Научная новизна:
Впервые разработана и апробирована модель твердооксидного топливного элемента, описывающая процессы тепло- и массопереноса, происходящие по длине и сечению ячейки во время ее работы, и учитывающая совместное влияние диффузионных процессов переноса газообразных компонентов в зону реакции, а также структурных характеристик пористых электродов на активную поверхность электрохимической реакции и поляризацию электродов
Результаты моделирования показали принципиальную возможность повышения эффективности ТОТЭ (удельная мощность более 0,6 Вт/см2) за счет использования в конструкции с несущим анодом пористых активированных электродов с оптимальной структурой.
На основе технологии ТОТЭ, в рамках концепции распределенной энергетики, предложена схема эффективного, независимого от централизованных электрических сетей, энергоснабжения типового газифицированного малоэтажного домостроения и показана ее экономическая целесообразность.
Достоверность и обоснованность результатов.
Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на использовании современных программ численных исследований (Mathcad, PHOENICS), методах проведения экспериментальных исследований и их обработки, а так же на соответствии полученных результатов исследований результатам экспериментов, опубликованных другими авторами.
Практическая ценность.
Разработанная модель ТОТЭ является эффективным инструментом для расчета тепловых и энергетических параметров ТОТЭ, а также может быть эффективно использована при выборе оптимальных рабочих и конструктивных параметров единичных топливных элементов. Результаты структурных исследования элементного состава пористых электродов ТОТЭ, методов их формирования и активации могут быть использованы в технологии производства трубчатых единичных ячеек ТОТЭ.
Схема энергоснабжения малоэтажного домостроения, предложенная в работе в рамках концепции распределенной энергетики, может быть воспроизведена в реальных проектах по энергоснабжению газифицированных потребителей с применением технологии ТОТЭ.
Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований влияния состава и структурных характеристик пористых электродов и ячеек ТОТЭ на вольт-амперную характеристику с учетом методов их формирования и активации;
разработанную модель ТОТЭ, описывающую процессы генерации электрического тока с учетом активационных, концентрационных, омических, диффузионных ограничений в зоне электрохимической реакции, а также влияние структурных характеристик электрода на реальную поверхность зоны электрохимической реакции;
разработанную модель ТОТЭ в виде трубки Фильда, описывающая процессы тепло- и массопереноса по длине и сечению каналов подачи газообразных реагентов с учетом тепловыделений в результате электрохимических реакций на аноде и катоде.
результаты моделирования ячейки твердооксидного топливного элемента трубчатой конструкции и практические рекомендации для повышения эффективности работы ТОТЭ;
схему энергоснабжения с использованием технологии ТОТЭ типового газифицированного малоэтажного домостроения, независимого от централизованных электрических сетей.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на I и I Международных Симпозиумах по Водородной энергетике (2007, 2009, Москва); 5–й и 7–й международных школах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», НИУ МЭИ, (2010, 2012 гг.).
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, три из которых опубликованы в журналах рекомендуемых ВАК РФ. Также по материалам диссертации получена заявка на патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 11 таблиц. Список литературы включает 138 наименования.
