Топливные элементы (реферат,14шр,1.5инт,15стр)

Комсомольск-на-Амуре



KOST



РЕФЕРАТ

«Топливные элементы»

 14ШР, TimesNewRoman, 1.5ИНТ, 15Л, 4РИС, АВТ.ОГЛ.

EDITED BY 11-11-2004

Say thanks



cost@amurnet.ru

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 6

2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЭ 9

3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ 11

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЭ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК 13

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 17

ВВЕДЕНИЕ

К наиболее серьезным проблемам, стоящим пе¬ред человечеством, безусловно, относится экологи¬ческая проблема. Наряду с локальными экологиче¬скими бедствиями такими, как смог в крупных городах, высокий уровень вредных выбросов на от¬дельных предприятиях, прорывы нефтепроводов и аварии нефтеналивных танкеров, возникли обще¬планетарные явления, такие, как парниковый эф¬фект, озоновые дыры и кислотные дожди [1]. Наи¬более крупный вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетика и транспорт (рис. 1). Ос¬новные выбросы вредных компонентов возникают в результате химических процессов горения топ¬лива в парогенераторах и двигателях внутреннего сгорания. Следует также отметить, что процессы преобразования химической энергии в электриче¬скую характеризуются невысокими значениями КПД (20-40%).

Рис. 1. Доли загрязнений атмосферы различны¬ми отраслями техники в России: 1 - теплоэнерге¬тика, 2 - черная металлургия, 3 - нефтедобыча и нефтепереработка, 4 - автотранспорт, 5 - цветная металлургия, 6 - промышленность стройматериа¬лов, 7 - химическая промышленность.

Вместе с тем известны способы преобразования энергии, например электрохимический, практиче¬ски лишенные указанных недостатков. Электрохи¬мический способ преобразования энергии осуще¬ствляется 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 энер¬гии протекает через несколько промежуточных ста¬дий, в том числе через стадию образования теплоты (рис. 2). Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется в первую очередь их электрохи¬мической 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 использует¬ся водород, реже СО или СН4, окислителем обычно является кислород воздуха. Рассмотрим для приме¬ра 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 урав¬нения реакций (2) и (3) получим уравнение реак¬ции (1). Таким образом, в результате реакции (1) во внешней цепи протекает постоянный электричес¬кий 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 рас¬считать по уравнениям химической термодинамики

(4)

где Eэ – ЭДС, Gх.р – изменение энергии Гиббса в результате протекания химической реакции, n – число электронов на молекулу реагента, F – посто¬янная 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 урав¬нению

(5)

где Hх.р – изменение энтальпии в результате проте¬кания химической реакции (тепловой эффект реак¬ции). Например, КПД, рассчитанный по уравне¬нию (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 источни¬ки тока (гальванические элементы и аккумулято¬ры), 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 за¬ранее, как в гальванических элементах и аккумуля¬торах. 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 элек¬тролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего тока в ячейке генерируется постоянный ток. Однако работа Гроува тогда не могла быть реа¬лизована. Не удалось реализовать и идею известно¬го физикохимика В. Оствальда (1894 год) о генера¬ции 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 на¬чале 50-х годов после публикации в 1947 году моно¬графии российского ученого О. Давтяна, посвящен¬ной 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 повы¬сился с конца 70-х – начала 80-х годов в связи с не¬обходимостью разработки экологически чистых стационарных и транспортных энергоустановок.

2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЭ

Как и любой источник тока, ТЭ характеризуют¬ся напряжением, мощностью и сроком службы. На¬пряжение U топливного элемента ниже ЭДС из-за омического сопротивления электролита и электро¬дов R и поляризации катода ЕК и анода Еа,

U = Еэ – IR – (ЕК + Еа), (6)

где / – сила тока.

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

Е = ЕI – ЕI=0

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

При одном и том же токе можно снизить плот¬ность тока и поляризацию, применяя пористые электроды, имеющие высокоразвитую поверхность (до 100 м2/г). В пористом электроде осуществляется контакт газа (реагента), электролита (ионного про¬водника) и электронного проводника. Процессы в пористых электродах достаточно сложны.

Для ускорения реакций в пористые электроды вводят катализаторы. К катализаторам ТЭ предъяв¬ляются требования высокой активности, длительно¬го срока службы и приемлемой стоимости. Выбор катализатора определяется как этими требования¬ми, так и видами ТЭ и топлива, рабочей температу¬рой и областями применения ТЭ. Наиболее широ¬кое использование нашли платина, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материа¬лы. Пористые электроды представляют собой слож¬ную структуру, в которой протекают электрохими¬ческие реакции, подводятся и отводятся ионы и электроны, подводятся реагенты, отводятся про¬дукты реакции и тепло. Эти процессы рассматрива¬ются в теории пористых электродов (макрокинети¬ке электродных процессов), которая позволяет оптимизировать их структуру и толщину [6].

В соответствии с уравнением (6) напряжение ТЭ снижается с увеличением тока. Зависимость напря¬жения ТЭ от тока получила название вольт-ампер¬ной характеристики. Напряжение большинства ТЭ лежит в пределах 0,8–0,9 В. Реальный КПД топлив¬ного элемента ηр ниже теоретического и определя¬ется по уравнению

(7)

где ηр – реальное количество электронов на молеку¬лу реагента.

Величина ηр ниже η уравнения (5) в связи с не¬полным 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 посте¬пенно ухудшаются, что обусловлено дезактивацией и износом катализаторов, коррозией основ элект¬родов, изменением структуры электродов и други¬ми причинами. Ухудшение характеристик ТЭ огра¬ничивает их срок службы. Для увеличения срока службы ТЭ применяют химически стойкие катали¬заторы (платиновые металлы и оксиды некоторых металлов) и основы электродов