Эффективность протонокерамических топливных элементов при работе на метане и энергетических систем на их основе

Abstract

Актуальность исследования. Топливные элементы являются высокоэффективными генераторами электрической энергии без сжигания топлива. В отличие от традиционных тепловых двигателей в топливных элементах химическая энергия топлива преобразуется в электрическую напрямую посредством электрохимической реакции. Перспективы использования энергетических систем на базе топливных элементов протонокерамического типа в настоящее время изучены недостаточно. Актуальность представленных исследований обусловлена необходимостью создания новых материалов для топливных элементов и разработки методов сборки батарей на их основе. Целью исследования является развитие концепции организации высокоэффективных, устойчивых к неравномерностям потребления электрической энергии энергетических систем на базе протонокерамических топливных элементов на метановом топливе, расчетная оценка технических параметров предложенных систем на основании вольтамперных характеристик элементарных ячеек топливных элементов. Объекты: протонообменные твердооксидные топливные элементы с BZY20 и BCZYYb типами анодов, электро-, тепло- и водородогенерирующие системы на метановом топливе на базе протонообменной керамики. Методы: квазиравновесное моделирование с использованием вольтамперных характеристик элементарных протонокерамических ячеек в режимах топливного элемента и электролизера; сопоставительный анализ перспективных разработок в области протонообменной керамики, виртуальное имитирование поведения топливных элементов данного типа при интеграции в энергетические комплексы. Результаты. Разработана квазиравновесная модель энергетической системы на базе протонокерамических топливных элементов на метановом топливе с катод-анодной рециркуляцией и частичным переходом в режим высокотемпературного электролиза при снижении нагрузки. Определены основные энергетические параметры работы системы, дана оценка ее эффективности. Выполнен анализ фазовой диаграммы эволюции состава топливной смеси на аноде при парокислородном риформинге метана путем катод-анодной рециркуляции газов. Для определения оптимального режима с помощью вольтамперной характеристики, а также оценки абсолютной эффективности энергетических систем на базе топливных элементов предложен показатель "эффективная удельная мощность".

The relevance of the research is caused by the necessity to develop new materials for fuel cells, in particular, protonic ceramic fuel cells, as well as methods for assembling fuel cell stacks. Prospects for using this type of fuel cell at the level of energy systems are studied to a small extent. Fuel cells are highly efficient generators of electrical energy, which, unlike traditional heat engines, directly convert chemical energy of fuel into electrical energy through an electrochemical reaction, without intermediate stage of fuel combustion. The main aim of the research is to develop the concept of organizing highly efficient, sustainable at uneven power load energy systems based on methane-fueled protonic ceramic fuel cells, to calculate the technical parameters of the proposed systems based on the currentvoltage characteristics of the elementary cells of fuel cells. Objects: protonic ceramic fuel cells with BZY20 and BCZYYB types of anodes; methane-fueled power, heat and hydrogen generating systems based on proton conducting ceramics. Methods: development of quasi-equilibrium models based on the current-voltage characteristics of elementary protonic ceramic fuel cells in the fuel cell and electrolyzer modes; analysis and description of the properties of promising developments in the field of proton conducting ceramics, a theoretical study of the behavior of this type of fuel cells when combined into energy complexes. Results. The authors have developed a quasi-equilibrium model of the energy system based on methane-fueled protonic ceramic fuel cells with cathode-anode recirculation and a partial transition to high-temperature electrolysis mode at partial power load. The main energy parameters of the system and the evaluation of efficiency are provided. The authors carried out the analysis of the phase diagram of the evolution of the fuel mixture composition at the anode in the vapor-oxygen reforming of methane by cathode-anode recirculation of gases. To determine the optimal operating point of the current-voltage characteristics, as well as to express the absolute efficiency of energy systems based on fuel cells, the «Effective power density» value was introduced.