Электрохимические генераторы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат.

Дисциплина: «Общая энергетика»

Тема: «Электрохимические генераторы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

ст. гр. ЭЛС 108

Дудик А.В.

 

Принял:

Харлап А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Владимир 2009

 

Содержание:

 

1. Введение …………………………………………………………………………….. 3

 

2. Электрохимические генераторы …………………………………………………… 4

 

2.1 Кислород-водородные генераторы и топливные элементы ………………….... 7

 

2.2. Автономные энергоустановки на топливных элементах ……………………. 10

 

3. Топливные элементы в России …………………………………………………… 15

 

4. Перспективность электрохимии …………………………………………………. 22

 

Список использованной литературы ………………………………………………. 24

 

1. Введение.

 

Создание топливных элементов — одна из больших научно-технических проблем нашего времени; ею занимаются ученые и инженеры всех промышленно развитых стран. Чем эта проблема привлекла столь большое внимание, что даст человечеству ее решение?

 

Топливные элементы — это электрохимические генераторы для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую. Они принципиально отличаются от всех генераторов электроэнергии тем, что в них химическая энергия преобразуется в электрическую, минуя стадию превращения в тепловую энергию. Коэффициент полезного действия любой тепловой машины не может превышать определенной величины, зависящей, от температуры рабочего тела (пара или газа) на входе и выходе тепловой машины, в то время как к. п. д. электрохимического источника тока не связан с этим ограничением. Наиболее высокий к. п. д. паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания не превышает 40—45%, а у современных водородно-кислородных топливных элементов он достигает 70%.

 

Время работы обычных гальванических элементов и аккумуляторов ограничено заложенным в них запасом активных веществ, после использования которых гальванические элементы выходят из строя, а аккумуляторы требуют заряда от внешнего источника электроэнергии для восстановления запаса активных веществ. Топливные элементы отличаются от этих источников тока тем, что в них непрерывно подаются топливо и окислитель и непрерывно отводятся продукты реакции, благодаря чему они могут работать без остановок длительное время. В этом электрохимические генераторы сходны с двигателями внутреннего сгорания, но по сравнению с последними топливные элементы имеют ряд эксплуатационных преимуществ: они работают при низкой температуре, бесшумно, без вредных выхлопных газов, выдерживают высокие перегрузки, их к. п. д. растет с уменьшением нагрузки. Все эти качества очень, полезны во многих случаях применения этих автономных источников тока.

 

В топливных элементах протекает в конечном счете тот же процесс горения топлива, что и в топках или двигателях внутреннего сгорания — взаимодействие топлива с кислородом. Однако процесс этот идет даже при комнатной температуре, поэтому такое горение в отличие от обычного можно назвать “холодным горением”.

 

На космических кораблях, где решающую роль играют эксплуатационные преимущества источников тока, топливные элементы уже используются. Однако для создания достаточно дешевых топливных элементов широкого потребления надо преодолеть еще много трудностей — например, резко сократить или полностью исключить применение драгоценных металлов и при этом не только не снизить, а повысить удельную мощность электрохимических генераторов.

 

2. Электрохимические генераторы.

 

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии на электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1

 

Рассмотрим явление, которое происходит при погружении цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO₄). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис.1). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу оказывает содействие большой дипольный момент воды. Рядом с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при достижении ими электрода в результате теплового .движения. При переходе положительных ионов в раствор увеличивается отрицательный потенциал электрода, который препятствует этому переходу. При определенном потенциале металла наступает динамическая равновесомая, то есть два встречных потока ионов (от электрода в раствор и наоборот) будут одинаковыми. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.

 

Важное техническое применение гальванические элементы имеют в аккумуляторах, где вещество, которое расходуется при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропуске через них на протяжении определенного времени тока от постороннего источника (при заряжении). Использование аккумуляторов в энергетике осложнено через маленький запас активного химического топлива, которое не разрешает получать электроэнергию беспрерывно в большом количестве. Кроме того, аккумуляторам присущая маленькая удельная мощность.

 

Большое внимание во многих странах мира уделяют непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем в тепловых машинах. В 1893 году немецкий физик и химик Нернст высчитал, что теоретический КПД электрохимического процесса преобразования химической энергии угля в электрическую энергию равняется 99,75%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 - корпус; 2 - катод; 3 - электролит; 4 - анод

 

 

На рис. 2 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе пористые. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Электроны, которые остались, образовывают отрицательный потенциал и во внешнем кругу перемещаются к катоду.

 

Атомы кислорода, которые находятся на катоде, присоединяют к себе электроны, образовывая отрицательные ионы, которые переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН- за счет присоединения из воды атомов водорода. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образовывают воду. Таким образом, при подведении водорода и кислорода происходит реакция окисления топлива ионами с одновременным образованием тока во внешнем кругу. Поскольку напряжение на выводах элемента небольшое (приблизительно 1В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высокий, теоретически он близкий к единице, а практически равняется 60-80%.

 

Использование водорода как топлива связано с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому выискиваются возможности использования других более дешевых видов топлива, прежде всего, естественного и генераторного газа. Однако скорость протекания реакции окисления газа удовлетворительная при высоких температурах (800-1200 К), что выключает использование водных растворов щелочей как электролитов. В этом случае возможно использовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

 

По типу электролита топливные элементы классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре - на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов.

Ныне широко ведутся работы относительно создания эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще небольшая, она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивное усовершенствование топливных элементов в недалеком будущем сделают возможным массовое использование топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумные, экономические, и в них отсутствуют твердые отходы, которые загрязняют атмосферу.

 

2.1. Кислород-водородные генераторы и топливные элементы.

 

Появление фторуглеродных катионообменных мембран произвело настоящую революцию в таких областях, как электролиз воды для получения водорода и кислорода и преобразование химической энергии в электрическую с помощью топливных элементов. Обе области науки и техники взаимосвязаны и являются необходимыми компонентами так называемой водородной энергетики. Суть последней состоит в преимущественном использовании водорода как экологически чистого и экономически выгодного энергоносителя.

 

Действительно, водород может быть получен с помощью электролиза воды — принципиально экологически чистого процесса. Наиболее выгодно делать это в периоды наименьшей внешней загрузки электростанций. Далее, по существующим подсчётам, транспортировка водорода по системе трубопроводов обойдётся в пять раз дешевле передачи электрической энергии по высоковольтным линиям. У конечного потребителя водород может быть использован непосредственно как экологически чистый химический реагент (топливо, восстановитель) или для получения электрической энергии в топливных элементах. Использование водорода как энергоносителя поможет, таким образом, уменьшить расход углеводородного топлива и приведёт к уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу. Однако для реального внедрения концепции водородной энергетики необходимо решить несколько проблем, одной из которых является повышение эффективности электрохимического получения водорода и обратного преобразования химической энергии в электрическую. Как было отмечено, большую роль здесь сыграло появление мембраны „Nafion“, которая в рассматриваемых системах является не только ион-селективной диафрагмой, но и действительно твёрдым полимерным электролитом. Принцип работы твёрдополимерного электролизёра может быть пояснён с помощью рис. 3.

 

Дистиллированная вода подаётся в анодное пространство электролизёра и проникает через поры анода (пластина из пористого титана) к границе раздела электрод/ТПЭ. На этой границе происходит электроокисление воды с выделением кислорода:

 

2H₂O + 4e ^– → O₂ + 4H ⁺

 

Кислород удаляется из реакционной зоны через поры электрода, газонепроницаемость ТПЭ препятствует проникновению его в катодное пространство и образованию взрывоопасной гремучей смеси. По описанному выше механизму гидратированные протоны движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с выделением газообразного водорода:

 

2H ⁺ + 2e ^– → H₂

 

Рис. 3 Схема твёрдополимерного электрохимического генератора водорода и кислорода.

 

 

Подобно кислороду, водород удаляют через систему пор катода и каналы токоподвода. Протекание катодной и анодной реакций стимулируется введением на границы раздела электроды/ТПЭ катализаторов — мелкодисперсных платины и оксида иридия (IV) соответственно, причём разработанные к настоящему времени технологии позволяют уменьшить количества применяемых благородных металлов до 0,1 мг в расчёте на квадратный сантиметр поверхности электрода. Некоторые количественные характеристики твёрдополимерных электролизеров, демонстрирующие их эффективность, таковы:

— напряжение на электродах 1,6–1,8 В при номинальной плотности тока 1 А на квадратный сантиметр геометрической поверхности электродов;

— толщина ТПЭ 0,2–0,5 мм, толщина всей электролизной ячейки не превышает нескольких миллиметров;

— практически стопроцентная чистота выделяющихся газов, что позволяет применять их как чистые химические реагенты и в медицинских целях (кислород).

 

Очевидно, что как с экологической точки зрения, так и с точки зрения экономической эффективности электролизёры с ТПЭ не идут ни в какое сравнение с генераторами водорода и кислорода, использующими в качестве электролитов жидкие растворы щелочей. Уже то обстоятельство, что работают твёрдополимерные электролизёры на дистиллированной воде (причём, чем чище вода, тем больше срок службы ТПЭ), говорит об их экологической чистоте.

 

И последний пример: электролизёр размером со спичечную коробку в течение последних 10 лет без всякой замены электродов или ТПЭ обеспечивает все потребности кафедры, на которой работает автор этой статьи, в кислороде и водороде для препаративных работ. Разумеется, этим примером не исчерпываются области применения твёрдополимерных генераторов кислорода и водорода. Их успешно используют в течение последнего десятилетия в медицине. Они вытеснили тяжёлые и пожароопасные кислородные баллоны, нашли широкое применение в промышленности (водород используют в качестве восстановителя, оба газа — в сварочных аппаратах), в энергетике и даже бытовых условиях — для повышения концентрации кислорода в воздухе помещений, что необходимо для лёгочных больных, заполнения кислородных подушек и т. д.

 

Готовыми к широкому применению (экономичными, безопасными, необслуживаемыми) водород-кислородные электролизёры сделало именно использование твёрдых полимерных электролитов.

 

Конструкция водород-кислородных топливных элементов с ТПЭ принципиально не отличается от схемы электролизёра. Топливом здесь служат газообразные водород и кислород, реакции на электродах протекают в обратном направлении по сравнению с реакциями при электролизе, продуктами же являются дистиллированная вода и электрическая энергия. Существуют лишь различия в составе каталитических слоёв на границах раздела электроды/ТПЭ и конструкции электродов. Однако КПД топливных элементов с ТПЭ, известных к настоящему времени, не превышает 50%, а напряжение составляет лишь 0,8 В.