Паливні елементи
Ця стаття була перекладена через Google translate
Паливні елементи Паливні елементи - це хімічні джерела енергії. Вони забезпечують пряме перетворення енергії палива в електроенергію, яка проходить слабо, досягаючи з великими втратами процесу горіння. Цей електрохімічний пристрій в результаті надзвичайно ефективного «холодного» спалювання палива безпосередньо виробляє електроенергію.
Біохіміки виявили, що біологічні киснево-кисневі паливні клітини "монтуються" у кожній живій клітині (див. Розділ 2).
Джерелом водню в організмі служить їжа - жири, білки та вуглеводи. У шлунку, кишечнику, клітинах з часом це будуть розширені мономери, які, в свою чергу, після ряду хімічних реакцій дають водень, приєднаний до молекули до господаря.
Кисень з повітря потрапляє в кров через легені, поєднується з гемоглобіном і надходить у всі тканини організму. Процес змішування водню з киснем є біоенергетичною основою організму. Тут у м’яких умовах (при кімнатній температурі, нормальному тиску, воді) високоефективна хімічна енергія перетворюється на тепло, механічних комах (рух м’язів), електрику (торпеда), світло (випромінювачі світла).
Людина, в якій він повторив пристрій, створений природою для отримання енергії. Водночас цей факт свідчить про перспективні напрямки. Всі процеси в природі дуже раціональні, тому заходи, необхідні для ефективного використання паливних елементів, дають надію на майбутнє енергії.
Відкриття в 1838 році воднево-кисневих паливних елементів належить англійському вченому Вільяму Гроуву. Вивчаючи розпад води на водень і кисень, він виявив побічний ефект - електролізер подавав електричний струм.
Що горить у паливному елементі?
Викопне паливо (вугілля, нафта та газ) складається в основному з вуглецю. Палаючі атоми палива втрачають електрони, а атоми кисню їх набувають. Оскільки при окисленні атоми вуглецю та кисню об'єднані в продукти згоряння - молекули вуглекислого газу. Цей процес енергійний: атоми та молекули, які беруть участь у горінні, набувають високих швидкостей, а це призводить до підвищення температури. Вони починають випромінювати світло - з’являється полум’я.
Хімічна реакція горіння вуглецю:
У процесі спалювання хімічної енергії вона перетворюється в теплову енергію шляхом обміну електронами між атомами палива та окислювача. Цей обмін відбувається навмання.
Горіння - обмін електронами між атомами, а електричний струм - Вільний, спрямований електронами. Якщо хід хімічних реакцій змусить електрони працювати, температура процесу горіння впаде. У паливних елементах електрони видаляються з реагентів на одному електроді, віддаючи свою енергію у вигляді електричного струму і приєднуючись до реагентів з іншого.
Основа будь-якого попадання - два електроди, з'єднані електролітом. ТЕ складається з анода, катода та електроліту (див. Главу 2) . На аноді окислюється, тобто дає електрони, відновник (паливо CO або H2), вільні електрони з анода надходять у зовнішній контур, а позитивні іони утримуються на анодно-електролітичній межі (CO +, H +). На іншому кінці ланцюга електрони придатні для катода, який є реакцією відновлення (адгезія окислювача, O2-). Потім окислювальні іони транспортують електроліт до катода.
У паливних елементах, а також об'єднані три фази фізичної та хімічної систем:
газ (паливо, окисник);
електролітичний (провідник іонний);
металевий електрод (електронний провідник).
У паливних елементах він перетворюється в енергію за допомогою окислювально-відновної реакції в електрику, а також процесів окислення та відновлення простору, розділених електролітом. Електроди та електроліти у реакції беруть участь не в реальних структурах, а в забруднювачах часу палива. Електрохімічне горіння може проходити при помірних температурах і практично не втрачати. Рис. p087 показує ситуацію, коли FC отримує суміш газів (CO і H2), тобто можна спалювати газоподібне паливо (див. розділ 1). Таким чином, TE є "всеїдним".
Ускладнює використання паливних елементів те, що їх паливо потрібно для «підготовки». Отримати паливні елементи на основі водню шляхом переробки викопного палива або газифікації вугілля. Тому блок-схема для живлення ET, ніж паливні елементи акумулятора, інвертор постійного струму (див. Розділ 3) Допоміжне обладнання також включає блок виробництва водню.
Два напрямки розвитку паливних елементів
Є два сфери застосування ТЕ: автономний енергетичний та високий.
Для використання в автономному режимі є основні специфічні особливості та простота експлуатації. Вартість енергії не є головним показником.
Більша енергоефективність є вирішальним фактором. Крім того, установка повинна бути довговічною, без дорогих матеріалів та із використанням викопного палива з мінімальною підготовкою.
Найбільша перевага обіцяє використання паливних елементів у машині. Тут, як ніде, це вплине на компактний ТЕ. При прямому збиранні електроенергії з економії палива в останньому порядку близько 50%.
Ідея використання паливних елементів у виробництві енергії була сформульована німецьким вченим В. Освальдом в 1894 р. Пізніше він розвинув ідею створення ефективного ефективного джерела енергії з паливних елементів.
Після цього було зроблено багато спроб використовувати вугілля як активну речовину в паливних елементах. У 1930-х роках німецький дослідник Бауер створив лабораторний прототип твердих електролітних паливних елементів для прямого анодного окислення вугілля. Одночасно він вивчав киснево-водневі паливні елементи.
У 1958 р. В Англії Бекон створив першу кисневу установку на основі водню потужністю 5 кВт. Але це було громіздко через використання газів високого тиску (2,4 МПа).
З 1955 р. У США К. Кордеш розроблені низькотемпературні киснево-водневі паливні елементи. Вони використовували вуглецеві електроди з платиновими каталізаторами. У Німеччині Е. Юст працював над створенням неплатинових каталізаторів.
Після 1960 року були створені демонстраційні та рекламні зразки. Перше практичне застосування знайшов космічний корабель "Аполлон" у паливних елементах. Це були великі енергетичні установки для постачання бортових приладів та забезпечення космонавтів водою та теплом.
Основними областями автономних систем з МВ були військові та морські застосування. Наприкінці 1960-х кількість досліджень паливних елементів зменшилася, а після 1980-х років знову зросла з точки зору виробництва енергії.
Компанія розробила VARTA TE з використанням двосторонніх газодифузійних електродів. Електроди цього типу називаються «Янус». Компанія Siemens розробила електроди із питомою потужністю 90 Вт/кг. У США робота над киснево-водневими елементами належить United Technology Corp.
В енергетичному морі дуже перспективним є використання паливних елементів для масштабного накопичення енергії, наприклад, на основі водню (див. § 1). Поновлювані джерела енергії (сонячна та вітрова енергія) відрізняються від їх дисперсія (див. розділ 4). Їх основне використання, без якого не обійтися в майбутньому, неможливе без потужних акумуляторів, що зберігають енергію в тій чи іншій формі.
Проблема накопичення актуальності сьогодні: добові і тижневі коливання вагітності значно знижують їх ефективність і вимагають m так званих аневренних потужностей. Альтернатива електрохімічному накопиченню енергії - паливні елементи в поєднанні з електролізерами та бензобаком *.
* Погляд [Газхолдер + англ. Держатель] тримач - депозит для великої кількості газу.
Паливні елементи першого покоління
Найбільшої досконалості досягло перше покоління технологічного покоління TE, що працює на 200. 230 ° C з рідким паливом, природним газом або воднем на основі *. Електролітна техніка в них - фосфорна кислота, яка заповнює пористу вуглецеву матрицю. Вуглецеві електроди і каталізатор - це платина (платина використовується в кількох грамах на кіловат).
* Технічний водень - продукт для перетворення викопного палива, що містить невеликий додаток чадного газу.
Така електростанція була введена в дію в Каліфорнії в 1991 році. Вона складається з вісімнадцяти панелей вагою 18 тонн кожна і розміщена в оболонці діаметром трохи більше 2 м і процедурною висотою близько 5 м. призначений для заміни акумулятора з використанням конструкції рами, що рухається по рейках.
Дві електростанції в американському FCS в Японії. Перший був запущений на початку 1983 року. Технічні характеристики відповідають розрахунковим. Вона працювала з навантаженням від 25 до 80% фронту. Ефективність досягла 30. 37% - це близько до сучасної потужної електростанції. Час від запуску в холодному стані - від 4 год 10 хв, а тривалість зміни потужності від нуля до повного становить лише 15 секунд.
Зараз у різних частинах США стоїть невелика централізація централізованого теплопостачання потужністю 40 кВт з використанням палива близько 80%. Вони можуть нагрівати воду до 130 ° C і розміщувати її в пральнях, спортивних комплексах, на контактних точках тощо. Близько сотні одиниць вже відпрацювали в цілому сотні тисяч годин. Екологічно чисті електростанції дозволяють розміщувати паливні елементи в містах.
Перша заправна станція в Нью-Йорку потужністю 4,5 МВт займала територію 1,3 га. Тепер для нових станцій потужністю у два з половиною рази більше необхідної вимірювальної площі 30х60 м. Побудуйте кілька демонстраційних електростанцій потужністю 11 МВт. Дивовижний період будівництва (7 місяців) і площа (30х60 м), зайнята електростанцією. Термін експлуатації нових електростанцій - 30 років.
І третє з другого покоління паливних елементів
Найкращі характеристики розроблені модульними блоками потужністю 5 МВт паливних елементів середнього температурного покоління другого покоління. Вони працюють при температурі 650. 700 ° С. Ці аноди виготовлені із спечених частинок нікелю та хрому, спечених та окислених катодів - алюмінію, а електроліт являє собою розплавлену суміш карбонату літію та калію. Лихоманка допомагає вирішити дві великі електрохімічні проблеми:
зменшити "отравлюемость" каталізатора чадним газом;
поліпшити процес відновлення окислювача на катоді.
Ще кращим буде паливний елемент при високих температурах третього покоління з твердим оксидним електролітом (особливо діоксидом цирконію). робоча температура - до 1000 ° С. ККД електростанцій з паливними елементами близько 50%. Тут, як придатне і тверде паливо для продуктів газифікації вугілля з високим вмістом окису вуглецю. Так само важливо, що настройка залишкового тепла при високих температурах може бути використана для виробництва пари для рушія, що генерує турбіну.
Компанія використовує твердооксидні паливні елементи Vestingaus з 1958 р. Вона розробляє електростанцію 25. 200 кВт, яке може використовуватися газоподібним паливом, із вугілля. Будьте готові до випробування експериментальних установок потужністю кілька мегават. Інша американська компанія Engelgurd моделює свої робочі елементи палива потужністю 50 кВт на метанолі з фосфорною кислотою як електролітом.
У створення паливних елементів беруть участь кілька компаній по всьому світу. American United Technology та Toshiba створили японську компанію International Fuel Cells. У Європі паливні елементи працюють у бельгійсько-голландському консорціумі Elenko, компанії, що належить Siemens, італійському Fiat, британцю Jonson Metju.