Повышение энергетической эффективности твердооксидных топливных элементов и обоснование их применения для энергоснабжения потребителей малой мощности

• Автор: Киселев, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 05.14.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Содержание

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Топливные элементы с твердооксидным электролитом

1.2. Конструкции твердооксидных топливных элементов

1.3. Материалы для изготовления твердооксидного топливного элемента.

1.4. Текущее состояние разработки твердооксидных топливных элементов и

уровень параметров

1.5. Основные направления в моделировании твердооксидных топливных

элементов

1.6. Малая распределенная энергетика

1.7. Использование ТОТЭ в качестве энергоустановки для нужд
энергоснабжения малоэтажного домостроения
Постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Изготовление и исследование единичных ячеек твердооксидного
топливного элемента
2.1.1.Изготовление единичной ячейки твердооксидного топливного элемента
2.1.2.Исследование структуры и состава электродов
Заключение по Главе
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЕДИНИЧНОЙ ЯЧЕЙКИ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
3.1. Методика моделирования твердооксидного топливного элемента
3.2. Электрохимическая модель
3.2.1. Определение активационной поляризации
3.2.2. Определение коэффициента диффузии
3.2.3. Определение концентрационной поляризации
3.2.4. Определение омической поляризации
3.3. Апробация модели
3.4. Влияние размера пор и пористости
3.5. Влияние температуры процесса
3.6. Влияние состава газов
3.7. Моделирование и расчет распределения температурных полей и напряжения при работе твердооксидного топливного элемента
3.8. Описание программы
3.9. Модель распределения температур и напряжения при работе ТОТЭ трубчатой конструкции
Заключение по Главе
ГЛАВА 4. ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ МАЛОЭТАЖНЫХ ДОМОСТРОЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТЕХНОЛОГИИ ТОТЭ
1.8. Энергоснабжение жилого дома с использованием технологии ТОТЭ
Заключение по Г лаве
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. С развитием малой энергетики и децентрализованного энергоснабжения у потенциальных потребителей растет интерес к энергоустановкам на базе 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 - 950°С происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию постоянного тока. Это определяет высокую энергетическую эффективность энергоустановок на баз 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

электрической энергии, долгие сроки технологического присоединения потребителей. С учетом того, что требования к качеству энергоресурсов, предъявляемые конечными потребителями, растут, на передний план выходит возможность исключения сетей электроснабжения из цепочки производитель-централизованная сеть-потребитель. Концепция распределенной энергетики дает такую возможность и позволяет в целом повысить эффективность энергоснабжения. Кроме того, концепция распределенной энергетики позволяет снизить риски повышения цен на энергоресурсы, предоставляет потребителю большую гибкость и безопасность в вопросе энергоснабжения, улучшает экологические показатели энергогенерации. Все эти факторы позволяют нивелировать недостатки, связанные с высокой стоимость малых энергоустановок. Также следует отметить, что существующие общепринятые экономические методы определения целесообразности капиталовложений, основанные на расчете чистых денежных потоков, не применимы в полной мере к появляющимся для коммерческого использования энергоустановкам малой энергетики, в частности, к ТОТЭ. Это обусловлено тем, что в финансовой модели сложно учесть экологические риски, риски безопасности энергоснабжения, риски, связанные с качеством энергоресурсов.
Существует ряд причин по которым энергогенерирующие компании не переходят к распределенной генерации электроэнергии. Одной из таких причин является ситуация, в которой финансовая привлекательность инвестиций зависит от конкретного случая и часто несет в себе высокие риски, которые недопустимы для компании. Другой причиной является отсутствие возможности контролировать распределенную генерацию в крупных масштабах.
Если говорить о частных домовладениях, то их заинтересованность в использовании малых автономных источников энергоснабжения может быть больше, но в то же время преимущества для этого типа потребителей не вполне очевидны. У потребителей отсутствует осведомленность в преимуществах технологий распределенной энергогенерации на базе ТОТЭ. Отсутствие