Реферати українською » Технология » Электрохимические перетворювачі енергії


Реферат Электрохимические перетворювачі енергії

Страница 1 из 2 | Следующая страница

1. Загальні відомості.


До ЭХП будемо відносити електрохімічні генератори (ЭХГ), тобто. батареї паливних елементів (ПЕ) зі допоміжними пристроями і хімічні акумуляторні батареї. Топливным елементом називається прямий перетворювач хімічної енергії у електричну, у якому реакція електрохімічного окислення не викликає витрати речовини електродів і електроліту. Вихідними реагентами служать пальне і окислювач, які мають запасом енергії хімічних зв'язків, яка перетворюється на енергію постійного електричного струму (і при отриманні кінцевого хімічного продукту взаємодії компонентів палива й виділенні певної кількості теплової енергії). У зверненому чи регенераторном режимі роботи ПЕ підведена щодо нього електроенергія перетворюється на хімічну енергію реагентів палива.

Аккумуляторным елементом, які входять у склад хімічної АБ, називається нагромаджувач електричної енергії у її перетворення в хімічну енергію, що здійснює ще й зворотне перетворення хімічної енергії в електроенергію за зміни складу речовини електродів й активної участі електроліту в токообразующей реакції.

Характерним показником технічного якості ЭХП служить питома енергія W* на одиницю маси перетворювача. Застосовувані в ЭХГ різні ПЕ принципово можуть працювати на пальному органічного чи неорганічної складу. Як окислювача використовуються переважно кисень O2, і навіть перекис водню H2O2, азотна кислота HNO3, галогены Cl2, F2. При виборі робочих тіл ЭХГ враховують: питому енергію, кінцеві продукти реакції, вартість, агрегатний стан речовин та була пов'язана з нею відносну масу тари (контейнерів, балонів) для зберігання реагентів, можливість їх безперервного підвода до електродах, швидкість електрохімічного взаємодії (за наявності каталізаторів і за заданих діапазонах температури і тиску). Наиболе широко для ЭХГ як пальне застосовується водень H2 і гидразин N2O2 у зв'язку з їхньою високою активністю, легкістю підвода і відводу кінцевих продуктів реакції, досить високої удільної енергією. Відомі розробки ЭХГ з допомогою метану CH4, пропану З3H8, і навіть метанолу CH3OH, аміаку NH3, мають щодо низькій вартості. Цікаві перспективні розробки полутопливных елементів (з підведенням лише окислювача) з урахуванням вмонтованого в елемент твердотельного пального (металів Zn, Al, Mg, Li та інших.). Окремі різновиду компонентів палива ставляться до токсичним речовин, наприклад, чадний газ CO, гидразин, аміак, галогены тощо. Тому переважно використання водород-кислородных ЭХГ, особливо автономних бортових об'єктів. Кінцевим продуктом реакції даних ЭХГ служать пари води, ці ЭХГ є екологічно чистими. Після сепарації і видалення електроліту вода використовують у системах життєзабезпечення, зокрема КЛА, або іде щоб одержати вихідних продуктів реакції (H2 і O2) в регенераційних циклах.

Спільним гідністю ЭХГ на ПЕ є високий ККД. Що стосується автономним об'єктах важливе значення має безшумність роботи ЭХГ, відсутність механічно переміщаються деталей і изнашивающихся частин. Ресурс ЭХГ визначається які є запасом палива (у відкритих циклах) або довговічністю допоміжного обладнання циклах з регенерацією; ресурс ЭХГ може перевершувати 104 год.

Енергетичний рівень ЭХГ при потужності АЭУ P=10 - 100 кВт характеризується удільної енергією W*=(1.5 .. 2)*103 кДж/кг на одиницю маси генератора, заправленого паливом. (Для низки різновидів хімічних АБ значення W* менше.) У можливе створення ЭХГ потужністю P=103 кВт при ККД h=0.9.

Недоліки ЭХГ перебувають у складності забезпечення збалансованих електрохімічних реакцій й у відносно малій удільної потужності P* на одиницю маси генератора. Без урахування безлічі запасу палива параметр P*=0.15 .. 0.2 кВт/кг трохи нижче, ніж у хімічної АБ. Через специфіки електрохімічних реакцій з ЭХГ не можна досить швидко вивести електричну енергію. Задля більшої збалансованої реакції в ЭХГ необхідно з допомогою спеціальних підсистем забезпечити поділ бізнесу та дозовану подачу компонентів палива, і навіть безупинне видалення кінцевих продуктів токообразующей реакції. Показники ЭХГ досить чутливі до чистоти хімреагентів, домішки істотно знижують ефективність ПЕ, їх ресурс.


2. Область застосування.


Застосування ЭХГ знайшли у основному задля енергозабезпечення АЭУ, зокрема рухливих і стаціонарних. Є значний досвід, накопичений, зокрема, там (США), з використання ЭХГ в розробках для космічних програм "Апполон", "Джеммини", "Скайлеб", "Спейс Шаттл" та інших. Проводяться численні розробки та дослідження з застосуванню ЭХГ для наземних транспортних установок, наприклад електромобілів, і навіть для морських судів.

Традиційно застосовуваним у багатьох галузях техніки виглядом ЭХП є хімічні АБ. Найширше поширені порівняно недорогі свинцово-кислотные АБ. Вони дуже довговічні за кількістю допустимих циклів "заряд - розряд", але мають порівняно низьку питому енергію (W*<120 кДж/кг). Распространены также щелочные никель-железные и никель-кадмиевые АБ, для которых W*<150 кДж/кг. Для АЭУ разработаны никель-кадмиевые и серебряно-цинковые АБ. Они превосходят свинцово-кислотные АБ по W* у два і трьох разу відповідно, але значно дорожче. Никель-кадмиевые АБ істотно довговічніше, ніж свинцово-кислотные. Серебряно-цинковые АБ відрізняються невеликим числом циклів "заряд - розряд", але забезпечують високий ККД h=0.75 за великої швидкості розряду.

Останніми роками розроблено хімічні АБ з урахуванням акумуляторних елементів з допомогою нікелю, сірки, натрію, літію та інших. Никель-цинковые лужні АБ мають W*>200 кДж/кг, та їх довговічність мала. Підвищення довговічності буває у газодиффузионных никель-водородных АБ, у яких W*>250 кДж/кг. Ще високий показник (W*>500 кДж/кг) мають серно-натриевые АБ, та їх ресурс становить 100 - 200 циклів "заряд - розряд". Подальше підвищення W* теоретично до значень 103 кДж/кг можливе литиевых АБ, та їх недолік - малий ресурс внаслідок високої корозионной активності Li.

Запас енергії у хімічній АБ прийнято характеризувати зарядної ємністю (в Ач чи Кл), необхідне значення залежить від потужності і часу роботи споживачів електроенергії. Хімічні АБ отримали стала вельми поширеною на транспорті, в системах электростартерного запуску авіаційних і автомобільних двигунів, в суднових установках, на электромобилях, у внутризаводском електротранспорті, на электропогрузчиках тощо.

У разі КЛА завжди реалізується паралельна робота хімічної АБ з ФЕП. Останні виробляють підзарядку АБ в "денні" годинник. Для автономних установок, зокрема на КЛА, доцільно також поєднання ФЕП і системи "електролізер - ЭХГ". Частина енергії ФЕП в "денні" годинник витрачається на розкладання води, а "нічні" годинник отримані H2 і O2 забезпечують роботу ЭХГ.


3. Физико - хімічні процеси в ЭХГ


Як і реакції горіння (активируемого, наприклад, запалюванням), стадії токообразующей електрохімічної реакції також протікають одночасно, але локалізовано у різноманітних галузях внутрішнього простору ПЕ. Основні дані деяких застосовуваних практично ПЕ наведені у табл. 1. Як типового приметра розглянемо роботу водень - кисневого ПЕ. Стехиометрическое рівняння сумарною реакції:


має такий самий вид, як із горінні. Пояснимо влаштування і принцип дії ПЕ, у якому електрохімічна реакція відбувається на стиках трьох фаз стану речовин: газоподібної (відновлювача H2 і окислювача O2), рідинної (лужного електроліту - розчину KOH) та міцної (пористих металокерамічних електродів). Схема ПЕ показано на рис. 1а. Электроды анод 1 і катод 2 виконані з композитного матеріалу

Таблиця 1: Теоретичні значення питомих показників ПЕ для розроблених ЭХГ.


Хімічні

реагенти

Напря-жение

елемента,

У


Витрата на одиницю генерованою

енергії, г/МДж

Енергія на одиницю маси

палива, кДж/кг



пального

окислювача

палива


H2 - O2

0.9

10.6

91.6

102.2

9750

З3H8 - O2

0.8

27

91.6

118.6

8460

NH3 - O2

0.7

83.4

116.6

200

5000

N2H4 - O2

0.9

91.6

91.6

183.2

5450

N2H4-H2O2

0.9

91.6

197.4

289

3470


Примітка: З урахуванням впливу необоротних електрохімічних процесів у реальних ПЕ питома витрата палива зростає у 1.5 - 2 разу, яке питома енергія знижується в 1.5 - 2 разу проти відповідними теоретичними показниками, які у таблиці.


(наприклад, з графітової кераміки з платиновим каталізатором). Электроды 1 і 2 відділені шаром електроліту - розчину луги KOH, який пропускає нейтральні молекули чи атоми газів водню і кисню. Ионизированные гази, наприклад, іони H+, можуть дрейфувати крізь електроліт. Корпус ПЕ виконується з титанового сплаву 4, хімічно не взаємодіє з KOH. Зовнішня ланцюг ПЕ замкнута опором Rзв навантаження, яке включено до металевим наплавкам на електродах.

Газообразные компоненти хімічного палива - який чи свої електрони восстановитель H2 і присоединяющий електрони окислювач O2 - - безупинно підбиваються під надлишковим тиском до порам анода і катода (рис. 1а) з резервуарів з запасом реагентів.

1. На поверхнях анода, змочених р-ром KOH, в электролите розчиняється газоподібний водень і абсорбується на стінках пір електрода. У розчині гидроксид калію перебуває у диссоциированном стані:



Водень у присутності іонів OH- він легко віддає електрони (окислюється), створюючи воду:



а) б)


Рис . 1. Схеми водородно-кислородных паливних елементів:

а - з рідким електролітом (розчином КОН); б - з ионообменной мембраною


2. На поверхні катода аналогічні явища призводять до реакції відновлення кисню, який у присутності води забирає в цього електрода які утворилися вільні електрони:



У результаті цих першої та другої стадій "холодного горіння" на аноді утворюється надлишок електронів, а яке прилягає розчині - недолік іонів гидроксила OH-. На катоді ж таки є недолік електронів, а оточуючому її электролите - надлишок іонів H+. У результаті протікають наступні два стадії реакції.

3. Що ділянці ланцюга від анода до катоду через опір Rзв проходять електрони 4e-, роблячи корисну електричну роботу (напрям струму I протилежно переміщенню електронів).

4. У электролите відбувається дифузія іонів 4OH- з катода на анод і з допомогою іонного струму замикається електрична ланцюг (відповідно до рівнянню безперервності повного струму div J = 0).

Якщо скласти реакції перша і друге стадії, вийде результуюче рівняння реакції , кінцевим продуктом якої є вода. Надлишкове кількість водяної пари 2H2O видаляють з ПЕ, наприклад, з допомогою продувки із наступною сепарацией чи випарюванням. Очищена від парів електроліту, вода можна направляти для подальшої утилізації (рис. 1а).

Збалансований хід реакцій на зазначених стадіях у поверхонь електродів визначається рівновагою тисків газової і рідинної фаз: pr = pе + pдо ;

тут pr - зовнішнє тиск газоподібних реагентів ( водню чи кисню ); pе - гідростатичний тиск електроліту; pдо =( cos)/d -

його капілярну тиск у порах електродів; - поверхове натяг (H/м); - кут смачиваемости; d - діаметр пори.

У виготовлених двошаровими електродах ЭХГ пори виконуються з різними значеннями d.Слой, який звернений до газової среде(Н2 або про2) і має подрібнений каталізатор ( наприклад, Pt), має товщину  мми пори з  мкм. У зверненому до KOH шарі з мм пори мають d мкм. Тиск pіз менше на

ніж тиск яка перешкоджає вытеканию електроліту. Нейтральні молекули чи атоми газоподібних компонентів у своїй значенні pr теж можуть поринути у електроліт, подолавши капилярные сили. На поверхні електродів забезпечується рівновагу фаз, тому через KOH можна тільки іонів, які утворилися внаслідок реакцій.

Поруч із KOH в ПЕ можливо використання кислотного електроліту - розчину H2SO4.

Требующееся випаровування води з елементів з рідинним електролітом, працюючих при тиску 5Ч105 Па і більше, визначає експлуатацію ПЕ на среднетемпературном ( 373 - 523 До ) чи высокотемпературном ( більш 523 До ) рівні, що необхідність наявності у складі ЭХГ низки технічно складних допоміжних пристроїв. Для подолання таких труднощів стосовно АЭУ розроблено водень - кисневі ПЕ з ионообменными мембранами (ИОМ) як квазитвердых речовин (гелів), поділяючих разнополярные електроди в ПЕ. Изготовляют ИОМ з фтороуглеродистого аналога тефлону. На полімерної сітці - матриці закріплені іони, можуть обмінюватися інші іони, наявні у межэлектронной середовищі. Насправді для ПЕ застосовують ИОМ з сульфатными катионами, наприклад,

За своїми функцій ИОМ подібна електроліту, вона може протистояти воздеймтвию нейтральних молекул і атомів H2 і O2. Схема ПЕ з ИОМ приведено на рис. 1б. Пористые керамічні електроди 1 і 2 притиснуті до мембрани 3. Контактирующие з ИОМ поверхні анода і катода вкриті каталитическими верствами металу. Принцип роботи ПЕ з ИОМ ось у чому.

На аноді подводимый газоподібний водень іонізується за реакцією:

.

Іони водню під впливом градієнта їх концентрації та відповідного електричного поля переміщаються крізь ИОМ до катоду, у якому протікає реакція:



Электроны 4e- через Rзв прибувають катоду. Отримана вода (H2O)n під впливом градієнта її концентрації повертається до аноду. Дві молекули води (2H2O), які утворюються в елементарному акті реакції, необхідно відводити із зони реакції, наприклад, дренажним пристроєм. Працюючи ПЕ гель в ИОМ набухає і залишається, як вказувалося, в квазитвердом стані.

Крім ИОМ в ПЕ застосовуються також капилярные мембрани типу волокнистих матеріалів, просякнутих лужним електролітом (наприклад, азбест). Принцип дії ПЕ з капилярными мембранами той самий, як ПЕ з рідинним електролітом.

У окремих установках можливо використання ЭХГ з ПЕ, які працюють інших компонентах палива, крім H2 - O2. Підсумкова електрохімічна реакція окислення відновлювача Red і відновлювача Ox має загалом разі вид



У ПЕ має місце зустрічний рух різнополярних іонів всередині електроліту і електронів від анода до катоду по опору Rзв, замикаючому зовнішню ланцюг. У цьому здійснюється пряме перетворення енергії хімічних зв'язків Red і Ox у електричну енергію. Конкретизацию загальної форми записи токообразующих реакцій розглянемо прикладі окислення гидразина N2H4. Реакція окислення гидразина має місце у ЭХГ малої потужності.

Анодное окислювання гидразина:



Катодное відновлення кисню:



Сумарна стехиометрическое рівняння реакції:



Графік залежності U від I




а) б)


Рис. 2: Характеристики водородно - кисневого ЭХГ:

а - загальна форма характеристикии і залежність корисною потужності від струму;

б - аналоги зовнішньої характеристики - залежності напруги від щільності струму для ПЕ різного виконання (1-с розчином електроліту; 2-с капилярной мембраною; 3-с ИОМ при Т=355 До; 4-с ИОМ при Т=313 До).


Зовнішня характеристика U=f(I).

Відхилення стану рівноваги під час роботи ПЕ практично приводить до зменшення напруження і зниження ККД проти їх термодинамическими значеннями через зміну потенціалу катода і анода під час проходження струму у подальшому ланцюгу ПЕ. Сукупність цих явищ називають

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація