Топливные элементы с прямым окислением угля (DCFC)
Топливный элемент - это, попросту говоря, "батарейка", в которой энергия топлива сразу превращается в электричество. В нее подается (например, по трубкам) топливо и воздух, они реагируют внутри элемента, и в итоге получаются продукты сгорания и электричество. Наиболее известны топливные элементы на водороде. Также последнее время в новостях стали мелькать топливные элементы на метиловом спирте. Вообще-то, по расхожему мнению, топливные элементы - это сложный и дорогостоящий продукт высоких технологий, который трудно изготовить и для которого требуется экзотическое топливо.
Как выяснилось, существуют топливные элементы очень простой конструкции, которые:
- не содержат драгоценных, редких, труднодобываемых или токсичных металлов
- могут быть изготовлены на технологическом уровне железного века, т.е., не требуют ничего сложного и экзотического. Тот, кто способен сделать подкову, изготовить глиняный горшок и сварить суп, может сделать и такой топливный элемент.
- в которых можно сжигать твёрдый уголь. Предоположительно, в них также можно сжигать аммиак и некоторые горючие газы, правда, для этого их конструкция требует некоторых изменений (см. заявку на патент США номер US2009017345)
В англоязычных источниках их принято называть DCFC - direct coal fuel cell.
Эти элементы были изобретены Уильямом Жако и запантенованы в США в 1896 году, патент N 555511. Изобретатель построил установки мощностью до 2 л.с. и они периодически испытывались в течение нескольких месяцев. Энергетическая установка из таких элементов показывала КПД до 35%, что является очень высокой величиной КПД энергоустановки даже на сегодня. Однако, его оппоненты якобы доказали, что в его элементе нет сжигания угля, а есть только лишь термоэлектрическая генерация с КПД "всего" 8% (хотя даже если так, то это было бы рекордом КПД термоэлектрогенератора на то время). После этого, его изобретение было предано забвению до 1973 года и не упоминалось в [прочитанных мной] книгах и публикациях. После неудачных опытов Бауэра, проведённых в Германии в 30-х годах, в научных кругах установилось мнение, что прямое электрохимическое окисление угля технически нереализуемо. В начале 70-х исследовательская группа в США воспроизвела опыты Жако и убедилась в том, что Жако действительно создал топливный элемент, см. http://adsabs.harvard.edu//abs/1975stan.reptU....W
После этого, элементы с прямым окислением угля стали исследоваться. В США есть несколько организаций, которые этим занимаются, причём, использовались разные электрохимические схемы и разные конструкции элемента. Существует, как минимум, четыре разновидности таких элементов, см. обзор ниже. Результаты выглядят многообещающими (в том числе, и с экономической точки зрения) и деятельность в этом направлении ведётся и сейчас (судя по патентам).
Многие люди (наивно полагающие, что нам не хватает для счастья именно энергии), ждут как манны небесной открытия нового чудесного, экологически чистого и дешёвого источника энергии. Смогут ли действительно угольные топливные элементы стать таким источником? Если честно, то я пока что не знаю ответа на этот вопрос. Не доверяя научно-финансовой среде (особенно её финансовой составляющей), я решил заняться этим вопросом сам, однако мои ресурсы ограничены и мне тоже требуется время. Пока что я рассказываю о том, что получилось у других, что получилось у меня и чего можно ожидать. Похоже, что есть определённые шансы предоставить людям ещё один способ использования энергии биомассы, который будет в определённых случаях выигрывать по сравнению с другими способами.
За то время, пока я этим занимался, я понял, что корень экологических, экономических, политических и прочих проблем, которые обычно связывают с энергетикой - вовсе не в технике, а в людях, в том, что некому обуздать алчность людей и их любовь к комфорту. Однако, раз дело начато, то его нужно всё же доделать до конца. Если мне удастся внести заметный вклад хотя бы в то, что люди станут больше использовать чистых источников электричества и меньше грязных, то уже можно будет считать, что я прожил жизнь не зря.
Вот с чего всё началось. Статья изобретателя, Уильяма Жако:
http://www.rexresearch.com/jacques/jacques.htm. Этот же документ в моем кривом переводе вот здесь.
DCFC от sara.com - история, статус, индустриальная программа - sara.com наиболее близко следует по пути, проложенному Жако. Фактически, их основная заслуга состоит в том, что они построили элемент, идентичный элементу Жако и доказали его работоспособность. Также они работали над стабилизацией электролита и вроде бы в этом преуспели, хотя лично я этого пока что не проверил. Похоже, что где-то они местами приврали.
Есть еще несколько текстов, но их мне уже лень переводить целиком, поэтому делаю очень короткий обзор.
Собственный опыт
В 2005 году мне удалось сделать работающий прототип DCFC с корпусом из серебра. В 2008 я успешно испытал несколько вариантов элемента с железным корпусом. Вот здесь описано достаточно подробно, что я делал в 2005 году. В 2008 году, по сути, было то же самое, отличался только материал корпуса и другие малозначимые детали. Было испытано несколько вариантов, вот краткое описание наиболее интересных:
| Корпус/катод | Анод | Токоотвод анода | подача воздуха | макс.мощность | макс.ЭДС | длительность опыта |
| Стаканчик 30 мл из нержавеющей стали | Уголёк из троллейбусного токосьёмника размером 20x9x12мм | Серебряный | стальная трубка от тормозной трансмиссии автомобиля | 100мВт | 780мВ | несколько минут, затем опыт прекращен |
| Стаканчик 30 мл из нержавеющей стали, катоды: - полоска жести от консервной банки - очень ржавая пластина из магнитопровода электромотора - трубка подачи воздуха | то же | то же | то же | единицы мВт (но и площадь катода была порядка 1см^2) | 1000 с чем-то мВ | порядка минуты, затем опыт прекращён |
| Отрезок трубы внутренним диаметром 15мм и длиной 40мм из ст2пс с приваренным дном и приваренным железным токоотводом | графит неизвестного происхождения, длина 20мм, диаметр 6мм | шпилька M4, вкрученная в графит | то же, в воздух подавалось значительное количество водяного пара | за время опыта мощность упала с 40 до 22 мВт | 789мВ | 3 часа |
| Отрезок трубы квадратного сечения, внутреннее сечение 12х12мм, длина 40мм, материал - ст1пс или ст1кп, с приваренным дном и приваренным железным токоотводом | графит неизвестного происхождения, размером 7x7x35мм | шпилька M4, вкрученная в графит | данные утеряны | 82мВт (14Вт/литр) | 790мВ | несколько минут, после чего весь электролит "выдулся" из элемента подаваемым воздухом |
| Отрезок трубы ст2пс, внутренний диаметр 12мм, высота 40мм, с приваренным дном и приваренным железным токоотводом, дополнительный катод из жести | угольный электрод для резки металла, 15ф8мм | шпилька M3, вкрученная в графит | две трубки из нерж.стали вн.диам. 1мм | 30-50мВт (5.7-7.6Вт/литр) при т-ре 530С | 903мВ | 3-4 часа |
Электролитом во всех случаях служил расплав NaOH, иногда с добавкой MgO. Температура не измерялась, но, предположительно, была в районе 400-600С.
Из этих результатов можно сделать следующий вывод: элемент не просто жизнеспособен. Он неубиваем (однако, мировой науке понадобилось почти 80 лет, чтобы это признать). Он работает с любым электропроводным углём и со многими разновидностями железа. Как писал Жако, железо должно быть низкоуглеродистым. Если я ничего не путаю, крепёж делается из углеродистой стали, однако, наличие шпильки в катоде также не влияло на работоспособность. Удельная мощность порядка 10 Вт/л, видимо, достигается достаточно легко, хотя мне пока не удалось добиться такой мощности в длительном режиме. Жако и SARA достигли мощности порядка 30 Вт/л, при этом, непохоже, что кто-то из них старался максимизировать именно удельную мощность, шла просто обкатка технологии с целью убедиться в её жизнеспособности. Из общих соображений можно представить, что довольно легко будет добиться мощности в 50 Вт/л, а при некоторых ухищрениях - и 100 Вт/л. Тогда установка размером со стиральную машину выдаст порядка 3 киловатт в долговременном режиме (ей нужна хорошая теплоизоляция, которая съест около половины объёма). Элемент способен выдерживать 2-3 кратные перегрузки в течение нескольких секунд, т.е., пиковая мощность такой установки будет 6-10 кВт. Жако заставил поверхность варочной плиты обычной печи небольшими элементами и получил мощность в 1,5кВт:
Следующий вопрос - это экономика. Железо стоит достаточно дешёво и в пересчёте на киловатт мощности оно будет стоить несколько сотен рублей. Консервные банки являются мусором и не стоят ничего, а для использования в элементе они, судя по всему, подходят хорошо, особенно штампованные банки, у которых нет швов, кроме как сверху. Здесь нужно определить скорость их коррозии (судя по моим впечатлениям, она достаточно мала и просто в воде железо ржавеет быстрее). Уголь при малых масштабах использования можно считать условно-безплатным, т.к. его источник - это дрова в лесу. Угольный анод можно сделать самостоятельно, хотя это требует трудозатрат. NaOH достаточно дешёв, 1кг его стоит 30 рублей. При удельной мощности в 50вт/л потребуется примерно 30 кг NaOH на киловатт мощности (900 рублей). Однако, в элементе происходит вредная побочная реакция NaOH+CO2=Na2CO3, которая портит электролит, и со временем он застывает (температура плавления Na2CO3 намного выше). Но это не фатально, поскольку из Na2CO3 можно обратно сделать NaOH, как минимум, двумя способами, в одном из них (ферратном) нужно только топливо, вода и Fe2O3 (ржавчина). Для второго способа требуется известь, вода и топливо. В обоих способах расходуются только топливо и вода, а известь и ржавчина возвращаются и могут быть использованы в следующем цикле. Необходимо уточнить скорость реакции NaOH+CO2=Na2CO3, чтобы оценить энергозатраты на обратное преобразование Na2CO3->NaOH. Кроме того, Na2CO3 тоже является подходящим электролитом для элемента. Если идти по этому пути, нужно выяснить, насколько быстрее ржавеет железо в Na2CO3 и в итоге понять, что выгоднее - восстанавливать Na2CO3 в NaOH или увеличить затраты на обогрев элемента и чаще заменять железный катод. Также необходимо уточнить энергозатраты на приготовление угольного электрода (его нужно приготавливать спеканием). Ещё одна статья расходов - это связующее. Сейчас, когда я делаю угольный электрод из древесного угля, я использую до 50% сахара и это, конечно, дорого. Однако, всё это нужно лишь потому, что я ограничен в возможностях. Существуют и другие, более дешёвые связующие. Например, это могут быть продукты сухой перегонки древесины, в ходе которой как раз и производится древесный уголь. Также, у меня складывается впечатление, что необязательно делать электрод из мелкого порошка. Частицы древесного угля, прокалённые при жёлтом калении в течение даже нескольких минут и даже при небольшом доступе воздуха, становятся достаточно хорошими проводниками. То же касается обычной бумаги. Можно, например, попробовать смешать "жеваную бумагу" с такими кусочками угля, хотя я ещё этого не пробовал, или делать электроды из макулатуры, которая в десятки раз дешевле древесного угля.
Итак, фактически, этот элемент потребляет только уголь и воду. Также он может потреблять железо (катод может ржаветь), однако по заверениям Жако и по моему опыту, это происходит достаточно медленно. Если чего и стоит бояться, так это окисления железного сосуда снаружи от действия топочных газов.
Ещё некоторые проблемы и трудности:
1. Зола может частично растворяться в электролите и изменять его свойства (например, повышать температуру плавления или уменьшать электропроводность). Это может привести к расходу электролита. Однако, помимо NaOH, электролитом может служить и KOH, в этом случае элемент работает аналогично. Но древесная зола как раз состоит в основном из K2CO3. Из К2CO3 можно делать КOH с помощью извести, аналогично вышеописанному. Здесь нужно изучить вопрос влияния других компонент золы на работу элемента (прежде всего, они могут повышать температуру плавления электролита и это плохо).
2. Пары и брызги электролита. При подаче воздуха образуются брызги электролита, часть которых неизбежно уносится вместе с выхлопными газами. KOH и NaOH являются едкими веществами и наличие их паров в воздухе опасно для здоровья. Также не исключено, что они могут разъедать каменную кладку. Для решения этой проблемы можно промывать выхлопные газы водой. Пары NaOH и KOH весьма гигроскопичны и они хорошо улавливаются водой. При этом, будет улавливаться тепло отходящих газов (впрочем, оно не очень велико).