<<
>>

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 CО2 в воздухе и техническом водороде происходит карбонизация щелочи:

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

(12)

(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:

(14)

Чистый Pt-катализатор быстро отравляется про­межуточными продуктами реакции (14). Поэтому ведутся фундаментальные исследования механиз­ма и катализаторов реакции (14) [3]. Предложены катализаторы на основе сплавов Pt—Ru, Pt—Ru—Re, Pt—Ru—WO3 и др. К настоящему времени созданы лабораторные образцы метанольных ТЭ, однако срок их службы пока не превышает сотни часов.

В рассмотренных до сих пор видах ТЭ применя­ются Pt и ее сплавы. Массовое производство ЭЭУ на основе ТЭ будет лимитироваться запасами Pt, которые относительно невелики. Поэтому большое внимание уделяется разработке высокотемператур­ных ТЭ, которые не содержат Pt-катализаторов.

В одном из них, работающем при температурах 650—700°С применяется электролит из расплава карбоната лития и натрия (Li2СО3 + Na2CO3), нахо­дящийся в порах керамической матрицы (LiAlO2). Материалом анода служит никель, легированный хромом; катода — литированный оксид никеля (NiO + Li2O).

Реакция, протекающая на аноде ТЭ:

на катоде ТЭ:

.

В последние годы было установлено, что в высоко­температурных ТЭ можно окислить и метан, если в элементе проводить его внутреннюю конверсию по уравнению (8). Основная проблема ТЭ с расплав­ленным карбонатным электролитом заключается в увеличении ресурса, поскольку в расплаве в присут­ствии O2 и CО2 происходит коррозия материала ка­тода. К настоящему времени созданы ЭЭУ мощно­стью от нескольких киловатт до 2 МВт. Установки имеют КПД 60% и выше. Во втором типе высоко­температурных ТЭ применяется твердый электро­лит (ZrO2 + Y2O3), аноды — из Ni + ZrO2, катоды — из полупроводников на основе La1-xCaxMnO3. На электродах протекают следующие реакции:

и (анод),

(катод).

Элементы работают при температуре 1000°С. Созданы и испытаны ЭЭУ мощностью до 20 кВт. Основной проблемой этого типа ТЭ является созда­ние недорогой технологии многослойных керами­ческих ТЭ и батарей ТЭ. Таким образом, к настоящему времени разрабо­таны пять типов ТЭ и большое число ЭЭУ на их ос­нове. Энергоустановки на основе ТЭ имеют многие преимущества по сравнению с традиционными энергоустановками: более высокий КПД (в 1,5—2 ра­за выше), экологическая чистота, практическая бесшумность, широкий диапазон мощностей и применяемого топлива, возможности когенерации тепла [3]. Эти ЭЭУ не потребляют воду, при необ­ходимости можно даже использовать воду, которая является продуктом реакции. Пока основным тор­мозом для их широкого применения являются от­носительно высокая стоимость (в 2—3 раза) по сравнению с традиционными установками, а также недостаточный срок службы.

После преодоления этих недостатков системы на основе ТЭ найдут ши­рокое применение как автономные маломощные и транспортные энергоустановки, так и стационар­ные мощные станции. Можно ожидать, что в начале следующего века энергоустановки на основе ТЭ бу­дут вносить весомый вклад в генерацию энергии и решение экологических проблем транспорта и энергетики.

Литература

1.Курс общей химии / Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 1990. 446 с.

2.Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991. 264 с.

3.Коровин Н.В. // Изв. РАН. Энергетика. 1997. № 9. С. 49-65.

4.Давтян O.K. Проблема непосредственного превра­щения химической энергии топлива в электрическую. М.: Изд-во АН СССР, 1947. 150 с.

5.Худяков С.А., Поспелов B.C. // Наука и жизнь. 1990. № 9. С. 60-65.

6.Чизмаджев Ю.А., Маркин B.C., Тарасевич М.Р., Чир­ков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых сре­дах. М.: Наука, 1971. 364 с.

<< | >>
Источник: Физические явления и их практическое применение: Конспект лекций / Составители: А.Н.Болотов, О.О.Новикова. – Тверь: ТГТУ,2008. 88 с.. 2008

Еще по теме Основные типы ТЭ и энергоустановок:

  1. Основные виды нейтронных детекторов
  2. Основные методы спектрометрии нейтронного излучения
  3. Философия : ответы на экзаменационные вопросы / А.В. Барковская, Е. В. Хомич. - 2-е изд. - Минск,2009. - 160 с., 2009
  4. Акимов В.В., Пластинина М.В., Майер Э.А.. ФИЗИКА. Методика вы-полнения и задания контрольных работ для студентов-заочников ускоренной формы обучения: Учебное пособие.- Омск: Изд-во СибАДИ,2007. - 88 с., 2007
  5. СОДЕРЖАНИЕ
  6. Тюрин Андрей Владимирович. Ленинградское отделение Союза писателей СССР в годы хрущевских реформ (1953—1964 гг.). Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук., 2016
  7. Сеничкина Ольга Авенировна. Методы оценивания сформированности иноязычной коммуникативной компетенции студентов-психологов (на материале английского языка). Диссертация, СПбГУ., 2016
  8. ВАЩУК АНГЕЛИНА ЭДУАРДОВНА. ОПТИМИЗАЦИЯ РАСХОДНОЙ ЧАСТИ БЮДЖЕТА УЧАСТНИКОВ ФИНАНСОВЫХ ОТНОШЕНИЙ В СФЕРЕ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА. Диссертация, СПбГУ., 2014
  9. БУРЯК Мария Анатольевна. Сегмент коммуникационных агентств в медиасфере современной России . ДИССЕРТАЦИЯ., 2014
  10. Говорун Светлана Викторовна. Развитие навыков и умений аудирования у студентов-востоковедов, изучающих английский язык . Диссертация. СПбГУ., 2015
  11. Сунарчина Мунира Мунировна. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОФСОЮЗЫ В СИСТЕМЕ СОЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ РАБОТНИКОВ (на примере Республики Башкортостан). Диссертация. СПбГУ., 2015
  12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  13. Статья 97. Палата представителей:
  14. НИЯЗОВА Галина Юрьевна. ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛИТИКИ РОССИИ И ВЕЛИКОБРИТАНИИ В АЗЕРБАЙДЖАНЕ В КОНТЕКСТЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. Диссертация. СПбГУ., 2014
  15. *В соответствии со статьей 1 Закона Республики Беларусь «О порядке вступления в силу Конституции Республики Беларусь» вступила в силу со дня ее опубликования.