Топливный элемент преобразует жидкое или газообразное горю­чее в полезное электричество при более низких, чем при обычном горении, температурах. На практике топливный элемент ведет себя как своего рода аккумулятор, который можно зарядить, заполнив горючим топливный резервуар или закачивая топливо из внешнего источника, если такого резервуара нет. В главе 8 вы познакомились с основами работы топливных элементов, а также с использованием топливных элементов в различных двигателях.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

На рисунке 13.5 представлена упрощенная функциональная схе­ма малой электростанции на топливных элементах. Она подходит для электрификации как дома, так и небольшого предприятия. Кро­ме того, ее можно использовать и в «домах на колесах» (жилых фургонах), и на небольших судах. В случае фиксированного распо­ложения топливо для такой электростанции можно либо хранить на 301

месте, либо подкачивать по трубопроводу. Идеальным топливом для работы такой электростанции в домашних условиях считается обыч­ный метан, так как он подается по уже существующим газораспреде­лительным сетям и хранить его на месте необходимости нет. Однако в сельской местности и в других негазифицированных районах более эффективными и дешевыми могут оказаться другие виды топлива.

Типичный блок топливных элементов вырабатывает несколько вольт постоянного тока, что сопоставимо с характеристиками сол-

нечных батарей или автомобильного аккумулятора. Обычно посто­янный ток поступает в преобразователь (усиливающий инвертор), на выходе которого получается переменный ток напряжением в 117 В. При желании можно установить запасной набор аккумуляторов для бесперебойной подачи электрического тока во время заправки резер­вуара топливом — система контроля электроснабжения переключает электрическую аппаратуру с топливной ячейки на аккумуляторную батарею и обратно, когда это необходимо. Постоянный ток, генери­руемый топливной батареей и аккумулятором, можно использовать и напрямую, для низковольтных приборов — дуплексных радиостан­ций или ноутбуков.

ПРЕИМУЩЕСТВА МАЛЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

• Топливные элементы просты по своей природе, долговечны и редко требуют технического обслуживания и ремонта.

• Топливные элементы эффективнее, чем обычные генераторы, для мелкомасштабного обеспечения электроэнергией.

• Водород — наиболее предпочтительный источник энергии для топливных элементов — нетоксичен.

• При соблюдении правил эксплуатации водородный топливный элемент производит пренебрежимо малое количество загряз­няющих атмосферу газов и не делает пылевых загрязнителей вовсе. Даже если топливом для топливного элемента служат более привычные метан или пропан, уровень загрязнения окру­жающей среды все равно ниже, чем при работе с традиционным генератором на двигателе внутреннего сгорания.

• Использование топливных ячеек позволяет избежать зависимо­сти от импорта нефти.

• Производство водорода для топливных ячеек может — при наличии соответствующей инфраструктуры доставки и хране­ния — повысить запас топлива для обогрева.

• Действующие газопроводы можно использовать для подачи ме­тана на электростанции с топливными элементами, применя­ющими этот газ.

• Некоторые виды топлива, подходящие для использования в то­пливных элементах, можно производить на небольших местных предприятиях.

• Иногда местные власти стимулируют применение альтернатив­ной энергетики (включая топливные элементы) с помощью на­логовых льгот и субсидий.

НЕДОСТАТКИ МАЛЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

• В некоторых районах обслуживание топливных элементов затруд­нительно из-за недостатка запчастей или опытных техников.

• Доставка и хранение топлива для водородных топливных эле­ментов представляют собой главное технологическое препят­ствие широкому распространению малых электростанций тако­го типа, хотя это ограничение не касается жидких видов аль­тернативного топлива.

• Удельная энергия (энергоемкость) водорода по сравнению с другими видами топлива относительно низка. Это ограниче­ние также не касается жидких видов альтернативного топлива.

• Водород чрезвычайно горюч и взрывоопасен. Это ограничение обычно не относится к жидким видам альтернативного топлива.

• Водородные топливные элементы достаточно дороги в экс­плуатации, в основном из-за стоимости процессов, связанных с выделением свободного водорода из его природных форм. Жидкие виды альтернативного топлива, как правило, не имеют такого недостатка.

• Некоторые виды топлива, такие как дизельное или биодизель, в холодную погоду становятся более вязкими, что может вы­вести топливный элемент из строя.

• Другие виды топлива — метанол или бензин-, например, — мо­гут быть токсичны при прямом контакте.

Задача 13.3

Можно ли модифицировать систему, подобную показанной на рис. 13.5, так, чтобы она могла использовать иные источники энер­гии — солнечные батареи, ветряные турбины или и то и другое? Как это можно сделать? Можно ли целиком обеспечить жилой дом электричеством за счет подобной системы, чтобы не зависеть от ком­мунальных электрических сетей?

Решение 13.3

Это возможно, но дорого. Так, солнечная батарея или солнечная панель может заряжать аккумуляторы, пока стоит солнечная погода. Ветряная турбина может использоваться в качестве вспомогательно­го источника электроэнергии, работая ветреными ночами или облач­ными, но ветреными днями. Топливный элемент будет подключаться к системе, когда энергии ветра и солнца недостаточно для обеспе­чения электричеством дома или предприятия. Компьютерная систе-

ма управления энергообеспечением контролирует весь процесс, по­стоянно гарантируя наиболее эффективное использование энергии. Подобная гибридная система обеспечивает полную независимость от коммунальных электрических сетей, но для ее успешной работы не­обходимы разнообразные и изобильные источники энергии.