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.
Еще по теме Основные типы ТЭ и энергоустановок:
- Основные виды нейтронных детекторов
- Основные методы спектрометрии нейтронного излучения
- Философия : ответы на экзаменационные вопросы / А.В. Барковская, Е. В. Хомич. - 2-е изд. - Минск,2009. - 160 с., 2009
- 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
- СОДЕРЖАНИЕ
- Тюрин Андрей Владимирович. Ленинградское отделение Союза писателей СССР в годы хрущевских реформ (1953—1964 гг.). Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук., 2016
- Сеничкина Ольга Авенировна. Методы оценивания сформированности иноязычной коммуникативной компетенции студентов-психологов (на материале английского языка). Диссертация, СПбГУ., 2016
- ВАЩУК АНГЕЛИНА ЭДУАРДОВНА. ОПТИМИЗАЦИЯ РАСХОДНОЙ ЧАСТИ БЮДЖЕТА УЧАСТНИКОВ ФИНАНСОВЫХ ОТНОШЕНИЙ В СФЕРЕ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА. Диссертация, СПбГУ., 2014
- БУРЯК Мария Анатольевна. Сегмент коммуникационных агентств в медиасфере современной России . ДИССЕРТАЦИЯ., 2014
- Говорун Светлана Викторовна. Развитие навыков и умений аудирования у студентов-востоковедов, изучающих английский язык . Диссертация. СПбГУ., 2015
- Сунарчина Мунира Мунировна. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОФСОЮЗЫ В СИСТЕМЕ СОЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ РАБОТНИКОВ (на примере Республики Башкортостан). Диссертация. СПбГУ., 2015
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Статья 97. Палата представителей:
- НИЯЗОВА Галина Юрьевна. ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛИТИКИ РОССИИ И ВЕЛИКОБРИТАНИИ В АЗЕРБАЙДЖАНЕ В КОНТЕКСТЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. Диссертация. СПбГУ., 2014
- *В соответствии со статьей 1 Закона Республики Беларусь «О порядке вступления в силу Конституции Республики Беларусь» вступила в силу со дня ее опубликования.