Топливные элементы

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Российский государственный  профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра общей электротехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

«Топливные элементы»

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. ЗЭП-311

Прокопьев К.В.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Екатеринбург 
СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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 устройство, подобное  гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

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 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. 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, DG_х.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 Е_{э 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 η_т,298 – 1,0 для метана и η_т,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 DЕ_К и анода DЕ_а,

U = Е_э – IR – (DЕ_К + DЕ_а),    (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 Е_I=0

DЕ = Е_I – Е_I=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 м²/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). 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

 

СН₄+Н₂О ↔ СО + ЗН₂,    (8)

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂,    (9)

СН₃ОН + Н₂О ↔ СО₂ + ЗН₂,   (10)

С + Н₂О ↔ 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 СО₂ в воздухе и техническом водороде происходит карбонизация щелочи:

2КОН + СО₂ ↔ К₂СО₃ + Н₂О

Кроме того, эти установки  достаточно дорогие.

Для гражданского применения разработаны ТЭ с фосфорнокислым электролитом (98%-ным раствором Н₃РО₄), в которых на аноде и катоде протекают реакции

2Н₂  –  4е → 4Н⁺,     (12)

О₂ + 4Н⁺ + 4е → 2Н₂О    (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.

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: