Паливні елементи

Топливные элементы

Виктор Лаврус Топливные елементи ставляться до хімічним джерелам струму. Вони здійснюють пряме перетворення енергії палива на електрику минаючи малоефективні, які йдуть із великими втратами, процеси горіння. Це електрохімічне пристрій в результаті високоефективного «холодного» горіння палива безпосередньо виробляє электроэнергию.

Биохимики встановили, що біологічний воднево-кисневий паливний елемент «вмонтовано» у кожну живу клітину (див. гл.2).

Источником водню в організмі служить їжа — жири, білки, й вуглеводи. У шлунку, кишечнику, клітинах вона у кінцевому підсумку розкладається до мономерів, які, в своє чергу, після низки хімічних перетворень дають водень, приєднаний до молекуле-носителю.

Кислород з повітря потрапляє у кров через легкі, сполучається з гемоглобіном і розноситься за всі тканинам. Процес сполуки водню з киснем лежить в основі біоенергетики організму. Тут, в м’яких умовах (кімнатна температура, нормальне тиск, водна середовище), хімічна енергія з великим ККД перетворюється на теплову, механічну (рух м’язів), електрику (електричний скат), світло (комахи випромінюючі свет).

Человек в вкотре повторив створене природою пристрій отримання енергії. У той самий час цього факту говорить про перспективності напрями. Усі у природі дуже раціональні, тому кроки щодо реальному використанню ПЕ вселяють надію на енергетичне будущее.

Открытие в 1838 року водородно-кислородного паливного елемента належить англійської вченому У.Грову. Досліджуючи розкладання води на водень і кисень то побачив побічний ефект — електролізер виробляв електричний ток.

Что горить в паливному элементе?

Ископаемое паливо (вугілля, на газ і нафту) складається переважно з вуглецю. При спалюванні атоми палива втрачають електрони, а атоми кисню повітря набувають їх. Так було в процесі окислення атоми вуглецю і кисню з'єднуються до продуктів горіння — молекули вуглекислого газу. Цей процес відбувається йде енергійно: атоми і молекули речовин, що у горінні, набувають великі швидкості, але це приводить до підвищення їх температури. Вони починають випускати світло — з’являється пламя.

Химическая реакція спалювання вуглецю має вид:

C + O2 = CO2 + тепло В процесі горіння хімічна енергія перетворюється на теплову енергію завдяки обміну електронами між атомами палива й окислювача. Цей обмін відбувається хаотически.

Горение — обмін електронів між атомами, а електричний струм — спрямоване рух електронів. Якщо у процесі хімічної реакції змусити електрони здійснювати роботу, то температура процесу горіння знижуватиметься. У ПЕ електрони відбираються у реагують речовин однією електроді, віддають свою енергію як електричного струму і приєднуються до реагує речовин на другом.

Основа будь-якого ХІТ — два електрода з'єднані електролітом. ПЕ складається з анода, катода і електроліту (див. гл.2). На аноді окислюється, тобто. віддає електрони, восстановитель (паливо CO чи H2), вільні електрони з анода роблять у зовнішню ланцюг, а позитивні іони утримуються за українсько-словацьким кордоном анод-электролит (CO+, H+). З протилежного кінця ланцюга електрони підходять до катоду, у якому йде реакція відновлення (приєднання електронів окислювачем O2-). Потім іони окислювача переносяться електролітом до катоду.

В ПЕ разом зведені разом три фази фізико-хімічної системы:

газ (паливо, окислювач);

электролит (провідник іонів);

металлический електрод (провідник електронів).

В ПЕ відбувається перетворення енергії окислительно-восстановительной реакції у електричну, причому, процеси окислення і відновлення просторово розділені електролітом. Електроди і електроліт у реакції не беруть участь, але у реальних конструкціях згодом забруднюються домішками палива. Електрохімічне горіння може бути при невисоких температурах та практично без втрат. На рис. p087 показано ситуація, коли в ПЕ надходить суміш газів (CO і H2), тобто. у ньому можна спалювати газоподібне паливо (див. гл.1). Отже, ПЕ виявляється «всеядным».

Усложняет використання ПЕ те що них паливо необхідно «готувати». Для ПЕ отримують водень шляхом конверсії органічного палива чи газифікації вугілля. Тому структурна схема електростанції на ПЕ, крім батарей ПЕ, перетворювача постійного струму в перемінний (див гол. 3) і допоміжного устаткування включає блок отримання водорода.

Два напрями розвитку ТЭ Существуют дві сфери застосування ПЕ: автономна і велика энергетика.

Для автономного використання основними є удільні характеристики і зручність експлуатації. Вартість вироблюваної енергії перестав бути основним показателем.

Для великий енергетики вирішальний чинник є економічність. З іншого боку, установки повинні прагнути бути довговічними, не утримувати дорогих матеріалів і використовувати природне паливо при мінімальних витратах на подготовку.

Наибольшие вигоди обіцяє використання ПЕ в автомобілі. Тут, як ще, позначиться компактність ТЭ. При безпосередньому отриманні електроенергії з палива економія останнього становитиме близько 50%.

Впервые ідея використання ПЕ у великих енергетиці було сформульовано німецьким ученим В. Освальдом 1894 року. Пізніше розвинулася ідея створення ефективних джерел автономної енергії з урахуванням паливного элемента.

После цього робилися кількаразові спроби використовувати вугілля як активного речовини в ТЭ. В 1930;ті роки німецький дослідник Э. Бауэр створив лабораторний прототип ПЕ компанії з рішучим електролітом для прямого анодного окислення вугілля. У той водночас досліджувалися киснево-водневі ТЭ.

В 1958 року у Англії Ф. Бекон створив найпершу кислородно-водородную установку потужністю 5кВт. Але у неї громіздкою через використання високого тиску газів (2…4МПа).

С 1955 року у США К. Кордеш розробляв низькотемпературні киснево-водневі ТЭ. В них використовувалися вугільні електроди з платиновими каталізаторами. У Німеччині Э. Юст працював створення неплатиновых катализаторов.

После 1960 року було створено демонстраційні і рекламні зразки. Перша практична застосування ПЕ знайшли на космічних кораблях «Аполлон». Вони мусили основними энергоустановками для харчування бортовий апаратури і забезпечували космонавтів водою і теплом.

Основными областями використання автономних установок з ПЕ були військові й військово-морські застосування. Наприкінці 1960;х років обсяг досліджень з ПЕ скоротився, а після 80-х знову зріс стосовно великий энергетике.

Фирмой VARTA розроблено ПЕ з допомогою двосторонніх газодифузионных електродів. Електроди подібного типу називають «Янус». Фірма Siemens розробила електроди з удільної потужністю до 90Вт/кг. У роботи з кислородно-водородным елементам проводить United Technology Corp.

В великий енергетиці дуже перспективний застосування ПЕ для великомасштабного накопичення енергії, наприклад, отримання водню (див. гол. 1). Поновлювальні джерела енергії (сонце і) відрізняються рассредоточеностью (див гол. 4). Їх серйозне використання, якого у майбутньому замало, немислимо без ємних акумуляторів, запасающих енергію у тому чи іншого форме.

Проблема накопичення актуальна вже нині: добові і тижневі коливання навантаження енергосистем помітно знижують їх ефективність яких і вимагають про маневрених потужностей. Одне з варіантів електрохімічного нагромаджувача енергії - паливний елемент разом із электролизерами і газгольдерами*.

* Газгольдер [газ + анг. holder власник] - сховище для великих кількостей газа.

Первое покоління ТЭ Наибольшего технологічного досконалості досягли среднетемпературные ПЕ першого покоління, працюючі за нормальної температури 200…230°С на рідкому паливі, природному газі або в технічному водні*. Електролітом у яких служить фосфорна кислота, яка заповнює пористу вуглецеву матрицю. Електроди виконані з вуглецю, а каталізатором є платина (платина використовують у кількостях порядку кількох грамів на кіловат мощности).

* Технічний водень — продукт конверсії органічного палива, у якому незначні домішки окису углерода.

Одна таких електростанцій введена до ладу у штаті Каліфорнія 1991 року. Воно складається з вісімнадцяти батарей масою по 18 т кожна і розміщується в корпусі діаметром трохи більше 2 м і заввишки близько 5 м. Продумана процедура заміни батареї з допомогою рамной конструкції що просувалася по рельсам.

Две електростанції на ПЕ США, поставили до Японії. Перша їх було пущено ще початку 1983 року. Експлуатаційні показники станції відповідали розрахунковим. Вона з навантаженням від 25 до 80% номінальної. ККД сягав 30…37% - це близько до сучасних великим ТЭС. Время її пуску з холодного стану — від 4ч до 10мин., а тривалість зміни потужності від нульової до не перевищує 15с.

Сейчас у різних районах США випробовуються невеликі теплофикационные установки потужністю по 40кВт з коефіцієнтом використання палива близько 80%. Вони можуть нагрівати воду до 130 °C і розміщуються в пралень, спортивних комплексах, на пунктах зв’язку й т.д. Близько ста установок вже пропрацювали загалом сотні тисяч годин. Екологічна чистота електростанцій на ПЕ дозволяє розміщувати у городах.

Первая паливна електростанція у Нью-Йорку, потужністю 4,5МВт, посіла територію України у 1,3га. Тепер нових станцій з потужністю дві з половиною рази більшою потрібна майданчик розміром 30×60м. Будуються кілька демонстраційних електростанцій потужністю по 11МВт. Вражають терміни будівництва (7 місяців) і площа (30×60м), зайнята електростанцією. Розрахунковий термін їхньої служби нових електростанцій — 30 лет.

Второе і третє покоління ТЭ

Лучшими характеристиками мають вже проектирующиеся модульні установки потужністю 5 МВт зі среднетемпературными паливними елементами другого покоління. Вони працюють при високих температурах 650…700°С.Их аноди роблять із спеченных частинок нікелю і хрому, катоди — з спеченного і окисленого алюмінію, а електролітом служить розплав суміші карбонатів літію і калію. Підвищена температура допомагає вирішити дві потужні електрохімічні проблемы:

снизить «отравляемость» каталізатора окисом вуглецю;

повысить ефективність процесу відновлення окислювача на катоді.

Еще ефективніше будуть високотемпературні паливні елементи третього покоління з електролітом з твердих оксидів (переважно двоокису цирконію). Їх робоча температура — до 1000 °C.КПД енергоустановок із такими ПЕ близький до 50%. Тут у яких як паливо придатні і продукти газифікації твердого вугілля з великим змістом окису вуглецю. Так само важливо, що сбросовое тепло високотемпературних установок можна використовуватиме виробництва пара, який приводить в рух турбіни электрогенераторов.

Фирма Vestingaus займається паливними елементами на твердих оксиди з 1958 року. Вона розробляє енергоустановки потужністю 25…200кВт, у яких можна використовувати газоподібне пальне з вугілля. Готуються до іспитів експериментальні установки потужністю кілька мегават. Інша американська фірма Engelgurd проектує паливні елементи потужністю 50кВт працівники метаноле з фосфорної кислотою як электролита.

В створення ПЕ включається дедалі більше фірм в усьому світі. Американська United Technology і японська Toshiba утворили корпорацію International Fuel Cells. У Європі паливними елементами займаються бельгийско-нидерландский консорціум Elenko, западногерманская фірма Siemens, італійська Fiat, англійська Jonson Metju.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.