ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОТОНОКЕРАМИЧЕСКИХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАБОТЕ НА МЕТАНЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

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».