Топливные элементы
Рефераты >> Технология >> Топливные элементы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЭ

3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЭ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

К наиболее серьезным проблемам, стоящим пе­ред человечеством, безусловно, относится экологи­ческая проблема. Наряду с локальными экологиче­скими бедствиями такими, как смог в крупных городах, высокий уровень вредных выбросов на от­дельных предприятиях, прорывы нефтепроводов и аварии нефтеналивных танкеров, возникли обще­планетарные явления, такие, как парниковый эф­фект, озоновые дыры и кислотные дожди [1]. Наи­более крупный вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетика и транспорт (рис. 1). Ос­новные выбросы вредных компонентов возникают в результате химических процессов горения топ­лива в парогенераторах и двигателях внутреннего сгорания. Следует также отметить, что процессы преобразования химической энергии в электриче­скую характеризуются невысокими значениями КПД (20-40%).

Рис. 1. Доли загрязнений атмосферы различны­ми отраслями техники в России: 1 - теплоэнерге­тика, 2 - черная металлургия, 3 - нефтедобыча и нефтепереработка, 4 - автотранспорт, 5 - цветная металлургия, 6 - промышленность стройматериа­лов, 7 - химическая промышленность.

Вместе с тем известны способы преобразования энергии, например электрохимический, практиче­ски лишенные указанных недостатков. Электрохи­мический способ преобразования энергии осуще­ствляется в топливных элементах (ТЭ) [2, 3].

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В топливных элементах химическая энергия топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, превращается непосредственно в электрическую энергию, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энер­гии протекает через несколько промежуточных ста­дий, в том числе через стадию образования теплоты (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 СН4, окислителем обычно является кислород воздуха. Рассмотрим для приме­ра работу кислородно-водородного ТЭ с щелочным электролитом (раствором КОН).

Реакция окисления водорода

2Н2 + О2 = 2Н2О (1)

в ТЭ протекает через электроокисление водорода на аноде

2Н2 + 4ОН - 4е → 4Н2О (2)

и электровосстановление кислорода на катоде

О2 + 2Н2О + 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. Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами

Электродвижущую силу (ЭДС) ТЭ можно рас­считать по уравнениям химической термодинамики

(4)

где Eэ – 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 DHх.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]. 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 DЕК и анода DЕа,

U = Еэ – IR – (DЕК + DЕа), (6)

где / – сила тока.

Поляризация электродов обусловлена замедлен­ностью процессов, протекающих на электродах, и равна разности потенциалов электрода под током ЕI и при отсутствии тока ЕI=0

DЕ = ЕI – ЕI=0

Поляризация электродов возрастает с увеличе­нием плотности тока /, то есть тока, отнесенного к единице площади поверхности электрода S:


Страница: