В данном реферате мы рассмотрим один из наиболее перспективных в настоящее время источников энергии — топливный элемент. Его принципиальное устройство, проблемы связанные с его внедрением и эксплуатацией. Устройство и принцип работы электрохимической энергоустановки в целом, и некоторые из вариантов топливных элементов.
Топливный элемент — электрохимическое ус
Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Следует также отметить, что процессы преобразования химической энергии в электрическую характеризуются невысокими значениями КПД (20-40%).
Но теоретически он может достигать и 80%. КПД, определённый по теплоте химической реакции, может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В топливных элементах химическая энергия топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, превращается непосредственно в электрическую энергию, в качестве примера обратим внимание на принципиальную схему системы электроснабжения космического корабля «Джемини» (рис. 2).
Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется в первую очередь их электрохимической активностью (то есть скоростью реакций на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода реагента в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ. В качестве топлива в ТЭ обычно используется водород, реже СО или СН 4 , окислителем обычно является кислород воздуха. Рассмотрим для примера работу кислородно-водородного ТЭ с щелочным электролитом (раствором КОН).
Реакция окисления водорода
2Н 2 + О2 = 2Н2 О (1)
в ТЭ протекает через электроокисление водорода на аноде
2Н 2 + 4ОН — 4е → 4Н2 О (2)
и электровосстановление кислорода на катоде
Химические реакции
... химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой. Химические свойства веществ выявляются в разнообразных химических реакциях. Химические реакции записываются посредством химических ... состояния атомов. Это наиболее распространенная группа реакций между сложными веществами - оксидами, основаниями, кислотами и солями: ZnO + Н ...
О 2 + 2Н2 О + 4е → 4OH— (3)
Гидроксид-ионы двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи – от анода к катоду. Суммируя уравнения реакций (2) и (3) получим уравнение реакции (1).
Таким образом, в результате реакции (1) во внешней цепи протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической энергии реакции (1) в электрическую.
Рис. 2. Принципиальная схема электроснабжения космического корабля «Джемини».
1-батарея ТЭ, 2 — хладагент, 3 – топливо, 4 – окислитель, 5 – подогреватель реагентов, 6 – радиатор, 7 – насос для хладагента, 8 – хладагент, 9 – вода, 10 – аккумулятор, 11 – шины, 12 – электрический контроль и управление.
Электродвижущую силу (ЭДС) ТЭ можно рассчитать по уравнениям химической термодинамики
(4)
где E э – ЭДС, DGх.р – изменение энергии Гиббса в результате протекания химической реакции, n – число электронов на молекулу реагента, F – постоянная Фарадея (96484 Кл/моль).
Например, расчет по уравнению (4) для реакции (1) и воды в жидком состоянии при давлениях О2 и Н2 , равных 100 кПа, дает значение Еэ 298 = 1,23 В.
Так как процесс преобразования энергии не имеет промежуточной стадии генерации теплоты (см. рис. 2), то для электрохимического способа нет ограничения цикла Карно и теоретический КПД преобразования энергии можно рассчитать по уравнению
(5)
где DH х.р – изменение энтальпии в результате протекания химической реакции (тепловой эффект реакции).
Например, КПД, рассчитанный по уравнению (5), равен ηт,298 – 1,0 для метана и ηт,298 = 0,94 для водорода.
Принципиальная схема ТЭ представлена на рис. 3. Топливные элементы, как и другие источники тока (гальванические элементы и аккумуляторы), состоят из анода, катода и ионного проводника (электролита) между ними. Основное отличие ТЭ от гальванических элементов заключается в том, что в ТЭ используются нерасходуемые электроды, поэтому ТЭ могут работать длительное время (до нескольких десятков тысяч часов).
Реагенты в ТЭ поступают во время работы, а не закладываются заранее, как в гальванических элементах и аккумуляторах. В отличие от аккумуляторов ТЭ не требуют подзарядки. Реальный ТЭ имеет сложное строение по сравнению со схемой, представленной на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема ТЭ
Впервые о ТЭ в 1839 году сообщил английский исследователь Гроув, который при проведении электролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего тока в ячейке генерируется постоянный ток. Однако работа Гроува тогда не могла быть реализована. Не удалось реализовать и идею известного физикохимика В. Оствальда (1894 год) о генерации электрической энергии в ТЭ, работающих на природных углях, а также изобретенного русским ученым П. Яблочковым (1887 год) водородно-кислородного ТЭ и результатов других исследований и изобретений. Интерес к ТЭ снова возродился в начале 50-х годов после публикации в 1947 году монографии российского ученого О. Давтяна, посвященной ТЭ [4].
Работы по ТЭ ведутся в США, Японии, Германии, России, Италии, Канаде, Голландии и других странах. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Джемини», «Аполлон» и «Шаттл». В России была созданы ТЭ для корабля «Буран» [5].
Нанесение и получение металлических покрытий химическим способом
... эффективного использования, поэтому целью данной работы стал обзор химических методов нанесения металлических покрытий. Процесс химического металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором ... и той же детали [7]. Разнообразие современных химических методов нанесения металлических покрытий требует целенаправленного изучения и систематизации информации, накопленной в ...
Интерес к ТЭ снова повысился с конца 70-х – начала 80-х годов в связи с необходимостью разработки экологически чистых стационарных и транспортных энергоустановок.
2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЭ
Как и любой источник тока, ТЭ характеризуются напряжением, мощностью и сроком службы. Напряжение U топливного элемента ниже ЭДС из-за омического сопротивления электролита и электродов R и поляризации катода DЕ К и анода DЕа ,
U = Е э – IR – (DЕК + DЕа ), (6)
где / – сила тока.
Поляризация электродов обусловлена замедленностью процессов, протекающих на электродах, и равна разности потенциалов электрода под током Е I и при отсутствии тока ЕI=0
DЕ = Е I – ЕI=0
Поляризация электродов возрастает с увеличением плотности тока /, то есть тока, отнесенного к единице площади поверхности электрода S:
При одном и том же токе можно снизить плотность тока и поляризацию, применяя пористые электроды, имеющие высокоразвитую поверхность (до 100 м 2 /г).
В пористом электроде осуществляется контакт газа (реагента), электролита (ионного проводника) и электронного проводника. Процессы в пористых электродах достаточно сложны.
Для ускорения реакций в пористые электроды вводят катализаторы. К катализаторам ТЭ предъявляются требования высокой активности, длительного срока службы и приемлемой стоимости. Выбор катализатора определяется как этими требованиями, так и видами ТЭ и топлива, рабочей температурой и областями применения ТЭ. Наиболее широкое использование нашли платина, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материалы. Пористые электроды представляют собой сложную структуру, в которой протекают электрохимические реакции, подводятся и отводятся ионы и электроны, подводятся реагенты, отводятся продукты реакции и тепло. Эти процессы рассматриваются в теории пористых электродов (макрокинетике электродных процессов), которая позволяет оптимизировать их структуру и толщину [6].
В соответствии с уравнением (6) напряжение ТЭ снижается с увеличением тока. Зависимость напряжения ТЭ от тока получила название вольт-амперной характеристики. Напряжение большинства ТЭ лежит в пределах 0,8–0,9 В. Реальный КПД топливного элемента η р ниже теоретического и определяется по уравнению
(7)
где η р – реальное количество электронов на молекулу реагента.
Величина η р ниже η уравнения (5) в связи с неполным использованием реагентов и их расходом на собственные нужды установок с ТЭ. Как видно, все факторы, увеличивающие напряжение (см. уравнение (6)), повышают КПД.
От напряжения также зависит и мощность Р:
P = U I,
и удельная мощность на единицу массы m и объема V топливного элемента
В процессе работы характеристики ТЭ постепенно ухудшаются, что обусловлено дезактивацией и износом катализаторов, коррозией основ электродов, изменением структуры электродов и другими причинами. Ухудшение характеристик ТЭ ограничивает их срок службы. Для увеличения срока службы ТЭ применяют химически стойкие катализаторы (платиновые металлы и оксиды некоторых металлов) и основы электродов (графит и никель).
Реферат электролиты в технике
... скорости движения ионов. Пусть электрический ток проходит через раствор бинарного электролита, помещенный в стеклянную трубку с поперечным сечением s м2, причем расстояние между электродами равно l м и ... разность потенциалов между ними равна Е В. Обозначим ...
Срок службы некоторых ТЭ достигает 40 тыс. часов.
3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Для увеличения тока и напряжения ТЭ соединяют в батареи. Последние могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся продукты реакции и тепло. Устройство, состоящее из батарей ТЭ, систем подвода реагентов, автоматики, отвода продуктов реакции и тепла, получило название электрохимического генератора (ЭХГ).
В свою очередь, ЭХГ входит в электрохимическую энергоустановку (ЭЭУ), которая, кроме ЭХГ, включает блок подготовки топлива, преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор) и блок использования тепла (рис. 4).
Рис. 4. Схема ЭХГ
Выбор исходного топлива, используемого в ЭЭУ, определяется в первую очередь его стоимостью, доступностью, экологическими характеристиками, химической активностью и удельной энергией на единицу массы. Поэтому в качестве исходного топлива применяют природный газ, уголь и некоторые недорогие синтетические виды топлива, например метанол. Однако с приемлемой скоростью в ТЭ могут окисляться лишь водород и в специальных видах ТЭ – монооксид углерода и метанол. Поэтому природные виды топлива и метанол предварительно конвертируются в блоке подготовки топлива в водород и другие газы, например по реакциям
СН 4 +Н2 О ↔ СО + ЗН2 , (8)
СО + Н 2 О ↔ СО2 + Н2 , (9)
СН 3 ОН + Н2 О ↔ СО2 + ЗН2 , (10)
С + Н 2 О ↔ СО + Н2 (11)
Продукты конверсии затем подаются в ТЭ. Так как реальный КПД ТЭ (40-65%) ниже 100%, то при их работе выделяется тепло, которое может быть использовано либо для теплофикации, либо для генерации дополнительной электрической энергии с помощью паровых или газовых турбин.
4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЭ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК
К наиболее разработанным относятся ТЭ с щелочным электролитом (раствором КОН).
Основные реакции в этих ТЭ были приведены ранее (1) – (3).
В качестве материала электродов обычно применяют никель, хорошо устойчивый в щелочных растворах. Для ускорения реакции в электроды вводят платину. Энергоустановки на основе ТЭ с щелочным электродом мощностью 4, 5 и 30 кВт нашли применение на кораблях «Аполлон» и «Шаттл» [2].
Однако в ТЭ с щелочным электролитом можно использовать только чистые водород и кислород, так как из-за наличия СО 2 в воздухе и техническом водороде происходит карбонизация щелочи:
2КОН + СО 2 ↔ К2 СО3 + Н2 О
Кроме того, эти установки достаточно дорогие.
Для гражданского применения разработаны ТЭ с фосфорнокислым электролитом (98%-ным раствором Н 3 РО4 ), в которых на аноде и катоде протекают реакции
2Н 2 – 4е → 4Н+ , (12)
О 2 + 4Н+ + 4е → 2Н2 О (13)
Элементы работают при температуре 200°С. Материалом электродов, устойчивым при этой температуре в агрессивной среде, служит графит, а катализаторами – Pt (0,8 – 1,2 г/кВт) и ее сплавы. В ТЭ с кислотными электролитами окислителем может служить кислород воздуха, так как компоненты воздуха химически не взаимодействуют с такими электролитами. На базе этих ТЭ в США и Японии созданы и испытаны ЭЭУ мощностью от 12 кВт до 11 МВт. Некоторые из них вышли на уровень коммерческой реализации. Данные ЭЭУ имеют срок службы несколько тысяч часов, суммарный КПД 75%, в том числе электрический 40–42%. Выбросы вредных компонентов на этих ЭЭУ на 1–2 порядка ниже по сравнению со стандартами на выбросы от тепловых машин.
«Разработка сепаратора для гидроочистки дизельного топлива» содержит ...
... Особенности технологических процессов гидроочистки дизельного топлива 1.2.1 Механизм процесса гидроочистки В процессе гидроочистки дизельных фракций протекают следующие реакции: 1) Гидрирование серосодержащих ... Реакции гидрогенизации сернистых соединений характеризуются разрывом связи C-S и насыщением водородом свободных валентных и олефиновых связей. Наряду с сернистыми соединениями при гидроочистке ...
В последние годы большой интерес проявляется к ТЭ с твердополимерным электролитом (ионообменной мембраной), на электродах которых протекают реакции (12) и (13).
В качестве материалов электродов используется графит, а катализаторов – Pt и ее сплавы. Рабочая температура ТЭ около 100°С. К достоинствам этих ТЭ относятся отсутствие жидкого электролита, высокие удельные мощности на единицу массы и объема. Основное назначение ЭЭУ на основе данных ТЭ – это электромобили. Разработка ЭЭУ на основе ТЭ с твердополимерным электролитом ведется в США, Германии, России, Японии, Канаде и многих других странах. Применение ТЭ позволит создать транспорт, характеризуемый бесшумностью и удовлетворяющий экологическим требованиям. Важнейшими проблемами этих ТЭ являются снижение стоимости и увеличение срока службы. В качестве топлива для ЭЭУ на основе ТЭ с твердополимерным электролитом может быть метанол, который предварительно конвертируется в водород (реакция (10)).
В последние годы во многих лабораториях мира ведутся работы по созданию ТЭ, в которых происходит прямое электроокисление метанола:
