Открыть меню

Топливные элементы для выработки электроэнергии

 

Топливные элементы для выработки электроэнергии для производства электроэнергии

Много лет ученые пытаются повысить к.п.д. тепловых машин — совершенствуют конструкции агрегатов, увеличивают их мощность и т. д. Но повышение к.п.д. сверх 40% связано с большими трудностями. Поэтому заманчива другая идея — полностью отказаться от тепловых машин и использовать химическую энергию окисления топлива, минуя промежуточное выделение тепловой энергии – создать топливный элемент.

На принципиальную возможность такого превращения указывает нам окружающая природа. Любой организм черпает необходимую энергию из органических видов топлива — пищевых продуктов. В организме происходит то же самое окисление топлива, что и в тепловой машине, образуются те же конечные продукты реакции — вода и углекислый газ. Но в машине окисление происходит с выделением тепловой энергии, что вызывает сильное нагревание среды, а в организме энергия выделяется в основном в виде механической энергии мускульных сокращений, и температура окружающего пространства почти не повышается. Коэффициент преобразования энергии в живом организме достигает 60—70%. О таких показателях конструкторы тепловых машин даже и не мечтают.

Итак, химическая энергия может превращаться прямо в механическую

А может и напрямую в электрическую. Этой цели и служат топливные элементы. Проблемой непосредственного превращения химической энергии в электрическую и электрической в химическую занимается электрохимия. Эта наука зародилась в самом начале XIX века. В наши дни она переживает свою вторую молодость.

Электрохимические реакции отличаются от обычных химических реакций тем, что в них участвуют свободные электроны. В ходе такой реакции свободные электроны либо выделяются, либо поглощаются. В первой половине XIX века единственными практическими источниками электрического тока были гальванические элементы — электрохимические источники тока. С их помощью стали возможны многочисленные открытия в области теории электричества.

В 1834 г. петербургский академик Б.С. Якоби создал первый электрический двигатель. Он действовал от электрохимического источника тока. Действие такого источника тока основывается на эффекте протекания электрохимических реакций, и, по сути, схоже с принципом работы топливного элемента. Электрохимические реакции протекают на поверхности металлических электродов, погруженных в раствор электролита. Электроны в обычных условиях не могут существовать в водном растворе в свободном состоянии; поэтому их и подводят к реагирующим веществам или отводят от них по электроду.

Электрохимические реакции играют большую роль в технике

В течение почти всей первой половины XIX века, единственными источниками электрического тока, которые помогали совершать многочисленные открытия в области теории электричества, были электрохимические источники тока, или гальванические элементы. Без этих источников невозможно себе представить ни развития представлений об электромагнетизме, ни создания основ электротехники, ни даже появления первых электромагнитных двигателей и генераторов. Зарождение электроэнергетики неразрывно связано с электрохимическими источниками тока и электрохимическими реакциями, с превращением химической энергии в электрическую. Топливные элементы тогда были еще делом будущего.

Во второй половине XIX века электрохимические источники тока уступили место электромагнитным генераторам, оказавшимся более удобными для производства электроэнергии в больших масштабах. Но сама электрохимия продолжала развиваться. Появились большие электрохимические производства. С помощью электролиза стали получать не только водород и кислород, хлор и щелочи, но и такие металлы, как магний и алюминий, занимающие почетное место во многих отраслях современной техники. Техника начала требовать материалы высокой чистоты, а электрохимические методы — растворение и осаждение — помогли получить чистую медь и другие чистые металлы.

Существует электрохимический процесс, который приносит человечеству миллиардные убытки. Это процесс коррозии металлов.

Заметим попутно, что электрохимические реакции не всегда приносят пользу. Есть электрохимический процесс, который приносит человечеству неисчислимые убытки. Это коррозия металлов, уносящая каждый год десятую долю всего выплавляемого железа. Перед лицом такого бедствия электрохимикам приходится изобретать средства не только для ускорения электрохимических реакций, но и для их замедления.

Электрохимические методы помогают химикам обнаруживать при анализе различные вещества. С помощью особого прибора — полярографа можно осаждать на поверхности ртутной капли малейшие количества вещества из раствора и регистрировать их. Существуют электрохимические приборы, которые улавливают и регистрируют звуковые колебания, измеряют давление, ускорение, вибрации и разнообразные другие физические величины.

Электрохимические реакции хороши тем, что их скорость можно регулировать довольно простыми способами. Это очень важно, когда имеешь дело с несколькими реакциями одновременно. Замедляя одни реакции и ускоряя другие, можно направить общее течение процессов в желаемое русло, т. е. управлять процессами. Поэтому одним из важнейших разделов электрохимической теории, начавшей по-настоящему развиваться в 30-х годах нынешнего столетия, стало учение о скорости электрохимических реакций, или электрохимическая кинетика. Исследование основных законов электрохимической кинетики позволило усовершенствовать важнейшие электрохимические процессы, в том числе и те, которые были присущи первым источникам тока — гальваническим элементам.

Электрохимические источники тока к концу прошлого века почти полностью потеряли свое значение как источники электроэнергии. Они не могли конкурировать с промышленными электростанциями. И все же ученые вынуждены были вернуться к ним и заняться их изучением и совершенствованием. Этого требовала жизнь. Переносной радиоаппаратуре требовались автономные (не связанные с электрической сетью) источники питания, надежные и удобные. В таких источниках испытывают нужду и средства транспорта — самолеты, автомобили, а теперь и космические корабли. За последние тридцать лет для этих целей созданы десятки типов гальванических элементов и аккумуляторов, достаточно мощных и энергоемких.

Но как бы ни были совершенны гальванические элементы и аккумуляторы, если можно воспользоваться электроэнергией от сети, конкурировать с электрогенераторами они не в силах (это под силу только топливным элементам). Поэтому наметилось совершенно четкое деление способов выработки и потребления энергии: в «большой энергетике» электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется по сетям к потребителю, в «малой энергетике» применяют автономные, малогабаритные, но и относительно маломощные источники электроэнергии для питания аппаратуры, которая не может быть присоединена к электросети. Ясно, что внедрение топливных элементов позволит стереть грань между «сетевым» и «аккумуляторным» электричеством, ведь получить энергию на месте будет наверняка проще и дешевле, нежели тащить ее по кабелю.

И в той и в другой области электроэнергию получают за счет химической энергии окисления топлива. В электрохимических источниках тока превращение происходит прямо и непосредственно, с большим к.п.д. Тепловым станциям, как мы уже убедились, свойственно многоступенчатое превращение энергии, и к.п.д. там невысок. Создается парадоксальное положение: энергетика отдает предпочтение не простому и выгодному электрохимическому методу, а сложному и неэффективному многоступенчатому превращению.

Парадокс этот вызван, прежде всего, экономическими соображениями. В котельных тепловых электростанций сжигают дешевое природное топливо; в электрохимических же источниках тока издавна использовали такие экзотические (с экономической точки зрения) виды «топлива», как цинк, магний, свинец или в лучшем случае железо. Ясно, что никакой к.п.д. не окупит расходы на такое «топливо». Кроме того, тепловая энергетика пользуется даровым окислителем — кислородом воздуха, а электро-химические источники тока требуют в качестве окислителей все ту же «экзотику», например двуокись марганца, а иногда даже окись серебра.

Вторым существенным недостатком электрохимических элементов была прерывистость их действия. В элемент заложен определенный запас активных материалов («топлива» и окислителя), рассчитанный на выработку какого-то количества электрической энергии. Запас израсходован, и элемент надо заменять другим или перезаряжать. Тепловая же машина работает непрерывно, топливо и окислитель подводят к ней без перебоев.

Как же преодолеть эти противоречия?

Очевидно, надо подумать над тем, как применить электрохимический метод к обычному топливу и как сделать процесс непрерывным. Эту задачу и решают топливные элементы. Современные, поставляемые «под ключ» топливные элементы, хоть и стоят дорого, зато позволяют сократить расход топлива на производство электроэнергии в полтора-два раза. Рассмотрим принципы их работы.

И плазменный, и термоэлектрический, и термоэлектронный генераторы превращают тепло в электрическую энергию. Ну, а откуда берется тепло? От сжигания топлива. Значит, с помощью наших трех необычных генераторов мы все-таки не сразу получаем электричество из топлива. Химическую энергию горючего нам приходится сперва превращать в тепло, а уж потом — в электричество. Нельзя ли превращать химическую энергию непосредственно в электрическую?

Оказалось, что можно

Всем нам хорошо знакома электрическая батарейка. Это гальванический элемент. Главный принцип работы такого элемента — превращение химической энергии в электрическую. Высокий к.п.д., бесшумность, надежность, отсутствие подвижных частей — все это замечательные качества элемента. Но, подобно батарейке, любой гальванический элемент, даже очень мощный, недолговечен. Отдавая химическую энергию, растворяется его катод, напряжение элемента падает, а затем исчезает совсем. Желая продлить жизнь элемента, мы должны делать его катодную пластину очень большой и тяжелой: ведь именно в ней заключен запас топлива. Но тогда получается громоздкая, дорогая установка, возвращающая нас в прошлое техники.

А если не погружать в банку элемента сразу весь запас топлива, а подавать его туда постепенно и там превращать его энергию в электричество? Впервые мысль эта пришла русскому ученому П. Н. Яблочкову. Он поставил много опытов, но результата не добился. Топливные элементы были созданы лишь 70 лет спустя.

Ученые вспомнили о том, что электрический ток, проходя через воду, легко разлагает ее на водород и кислород. Такие опыты делают в каждой школе. Так нельзя ли сделать наоборот — заставить кислород и водород соединяться в молекулы воды? При этом, оказывается, возвращается то, что мы затрачиваем на разложение воды, — электрическая энергия!

Первые топливные элементы работали на водороде и кислороде

Оба эти газа подавались по трубкам в ванну с едкой щелочью. Там после нескольких химических реакций получалась вода и на опущенных в ванну электродах появлялась разность потенциалов — электрическое напряжение. В таком элементе топливом служит водород, который окисляется кислородом. В результате получаются вода и электрическая энергия. Образно говоря, водород сжигается без огня; в самом деле, ведь любое горение — это окисление топлива кислородом.

Один такой элемент действовал в лаборатории несколько лет и ни на минуту не снизил мощности, правда, пока довольно маленькой. А его к.п.д. оказался равным 76%. Именно такой высокий к.п.д. привлекает сейчас к топливным элементам всеобщее внимание. Дело в том, что его можно повышать и дальше, до 90%! Такой экономичности не дает никакое другое энергетическое превращение.

Плохо, конечно, что топливом служит водород: он довольно дорог, требует осторожного обращения, тяжелых баллонов для перевозки. Но уже построены топливные элементы, где сжигается без огня более удобное топливо, например нефтяной газ пропан. Ученые считают, что со временем в топливных элементах можно будет расходовать разные виды топлива — не только газы, но и жидкости, а может быть, — кто знает! — и твердые «поленья». Это будет великим достижением электроэнергетики.

Вот уже почти столетие ученые многих стран ищут пути прямого преобразования химической энергии дешевого топлива в электрическую. Создать топливные элементы оказалось чрезвычайно трудно. Во-первых, обычное топливо так медленно поддавалось электрохимическому окислению, что о мало-мальски приемлемой мощности не могло быть и речи. Во-вторых, топливные элементы были чрезвычайно недолговечными. Их свойства быстро ухудшались, электрические характеристики падали, и элементы теряли всякую работоспособность. До середины 20 века проблема создания надежных и эффективных топливных элементов многим казалась почти неразрешимой и бесперспективной.

Но энтузиасты-исследователи продолжали развивать теоретические основы электрохимии, они искали новые материалы и новые катализаторы, и их исследования увенчались успехом, о чем свидетельствуют регулярно появляющиеся новые образцы топливных элементов.

 

Как же они устроены?

Топливный элемент существенно отличается от обычного гальванического элемента старого типа. Топливо и окислитель, необходимые для электрохимической реакции, не закладываются в него заранее, а непрерывно подводятся к нему в процессе работы. Для удобства подвода компонентов желательно, чтобы они были в газообразном или жидком состоянии. От тепловой машины топливный элемент отличается тем, что окисление происходит в нем не химическим путем (путем горения), а электрохимическим.

При обычном химическом окислении электроны с молекул топлива переходят на частицы окислителя. Если бы этот переход был упорядочен, т. е. совершался преимущественно в одном направлении, мы получили бы электрический ток. Но в пламени частицы топлива и окислителя перемешаны, и электронный переход совер-шается хаотично, во всех направлениях. Энергия процесса рассеивается в виде тепла.

Смысл электрохимического окисления как раз и заключается в упорядочении электронных переходов. Для этого, прежде всего, необходимо разделить частицы топлива и окислителя. Топливо и окислитель подводятся к электродам, на которых возможны электрохимические реакции выделения и присоединения электронов. Рассмотрим в качестве примера простейшую электрохимическую реакцию окисления водорода кислородом. Водород подводится к электроду, выбранному так, чтобы на нем могла протекать реакция окисления водорода с образованием водородных ионов и электронов.

Другой электрод выбирается таким образом, чтобы на нем подаваемый кислород мог восстановиться в воду.

Если соединить электроды металлическим проводником (электрической цепью), то реакции на обоих электродах все время будут протекать слева направо. Образующиеся на первом электроде электроны по внешней цепи переходят на второй электрод — по цепи течет электрический ток, совершающий электрическую работу. Электрическая цепь замыкается электролитом, в котором образующиеся ионы водорода также переносятся ко второму электроду.

Необходимая для электрической работы энергия получается за счет энергии химического процесса. Суммарной химической реакцией, протекающей на обоих электродах, является реакция образования воды.

Сложность создания топливных элементов заключается в подборе электродов (и электролита), которые были бы достаточно активны. Для увеличения скорости электрохимических реакций, как и для реакций химических, часто используют катализаторы. Катализаторы находятся на поверхности или в порах электродов; чтобы они не теряли свою активность и служили как можно дольше, ХИМРШИ подвергают их специальной обработке.

Водородно-кислородный элемент

Основа простейшего водородно-кислородного топливного элемента — два электрода, на которых происходят электрохимические реакции ионизации газов. Электроды имеют вид тонких пористых дисков, получаемых прессованием и спеканием металлических порошков, чаще всего никелевого порошка. В электрод (либо в процессе изготовления, либо потом) введен катализатор. Электроды укрепляют в ячейке так, чтобы с одной стороны они соприкасались с раствором электролита. Края электродов тщательно герметизированы.

Через обратную сторону к электродам подаются газы: к одному — водород, к другому — кислород. Газы нагнетают под слегка повышенным давлением, так что они частично вытесняют электролит из пор электродов. Таким образом, внутри пористого электрода создаются участки контакта трех тел — твердого электрода, жидкого электролита и газообразного реагента (водорода или кислорода). Вблизи этих так называемых трехфазных границ раздела и происходит токообразующая электрохимическая реакция. От электродов ток с помощью специальных токоотводов отводится во внешнюю цепь.

В качестве электролита в водородно-кисло-родных элементах обычно применяют сорокапроцентный раствор щелочи КОН. Рабочая температура поддерживается равной 70—100°Ц.

Если внешняя цепь разомкнута, то электроны, естественно, не могут перейти с одного электрода на другой: после выделения некоторого количества электронов на водородном электроде и поглощения некоторого количества электронов на кислородном процесс прекращается. Между электродами устанавливается разность потенциалов, называемая электродвижущей силой (э. д. с.) или напряжением разомкнутого элемента. Для водородно-кислородных элементов напряжение при разомкнутой цепи равно 1,0 —1,1 в, причем более отрицательным является водородный электрод (на нем электроны выделяются и частично накапливаются).

Замкнем внешнюю цепь, подключив к ней, например, лампочку

Через цепь пойдет ток. Возобновившиеся реакции ионизации газов поддержат его. Но во время прохождения тока напряжение элемента несколько снизится; чем больше будет ток, тем ниже напряжение. Практически допускают снижение напряжения до 0,7 в. Ток, при котором это напряжение достигается, считается максимальным разрядным током данного элемента.

Величина максимального разрядного тока элемента зависит прежде всего от величины поверхности электродов и от их каталитической активности. Для сравнения элементов разных размеров очень удобно рассчитать величину плотности электрического тока, т. е. тока, снимаемого с единицы поверхности электродов. Для водородно-кислородных элементов в зависимости от катализаторов и условий работы максимальная плотность тока может колебаться от 50 до 500 (и более) миллиампер на квадратный сантиметр поверхности электрода.

Электроды

Батарея водородно-кислородных элементов. Мощность ее 5 кВт. Для практического использования электрической энергии требуется, как правило, сравнительно высокое напряжение. Автомобильная аппаратура работает при напряжении в 12В, самолетная — в 28В. Чтобы получить такие напряжения, несколько элементов соединяют последовательно в батарею.

Высокотемпературные топливные элементы

Электрохимическое окисление топлива не всегда протекает гладко. Такие распространенные и дешевые виды топлива, как генераторный СО или природный газ СН4, реагируют на электродах значительно хуже, чем водород. Даже самые активные катализаторы лишь в незначительной степени ускоряют эти реакции. А малая скорость реакции означает меньшую величину плотности тока и, следовательно малую мощность.

Возможность для проведения этих реакций с достаточной скоростью дает использования высоких температур, например 500° или даже 1000° Ц. Но тут возникает новая трудность: при высоких температурах вода испаряется мгновенно, водный раствор электролита оказывается неподходящим.

Электролитами могут служить либо расплавы солей (например, смесь углекислых солей натрия, калия и лития, плавящаяся при температуре чуть ниже 500° Ц), либо твердые электролиты.

Таким твердым электролитом может быть, например, двуокись циркония, содержащая некоторые примеси. При температурах около 800—1000° Ц благодаря подвижности отрицательных ионов кислорода О2 она начинает хорошо проводить электрический ток (катионы не перемещаются и ток не переносят), Наличие такой «кислородной» проводимости влияет на характер электрохимических реакций, протекающих на электродах. Если построить элемент описанного выше типа — вместо раствора КОН взять в качестве электролита двуокись циркония — и подводить к одному электроду окись углерода, а ко второму кислород, то при температурах около 1000° Ц молекулы кислородного электрода станут принимать электроны из внешней цепи, превращаясь в отрицательные ионы, а молекулы СО топливного электрода соединяются с ионами О2 из твердого электролита, образуя углекислый газ и отдавая электроны во внешнюю цепь:

Электрический ток во внешней цепи обусловлен переходом электронов от отрицатель-ного (топливного) электрода к положительному (кислородному) электроду; этот ток компенсируется движением ионов О2 в твердом электролите в обратном направлении.

Такие высокотемпературные топливные элементы, питаемые генераторным газом и кислородом, могут работать при плотностях тока 50— 150 ма/см2, выдавая напряжение около 0,5 в на элемент.

Топливные элементы выходят из лабораторий, но предстоит большая работа по их усовершенствованию, повышению их стабильности и упрощению технологии их изготовления. Но уже можно сказать, что вопрос непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую принципиально решен, и в недалеком будущем различные типы топливных элементов найдут широкое применение.

Конечно, заманчивее всего было бы создать на базе топливных элементов большие электростанции, вырабатывающие электрическую энергию из природного топлива или продуктов его переработки. Основой таких электростанций явятся высокотемпературные топливные элементы с расплавленным или твердым электролитом. Топливом для элементов послужит либо природный газ, либо генераторный газ, получающийся при газификации твердого топлива. Твердое топливо при температуре около 700°Ц обрабатывают углекислым газом, в результате чего образуется окись углерода. Окись углерода поступит в топливный элемент, где окислится в углекислый газ:

2 СО + 02->2С02

Электростанция будет состоять из большого количества совершенно одинаковых элементов, что значительно упростит ее строительство. На станции почти совсем не будет движущихся и вращающихся механизмов. Постоянный ток, вырабатываемый топливными элементами, поступит к мощным полупроводникам преобразователя, вырабатывающим почти без потерь переменный ток промышленной частоты.

Трудно сказать, сколько потребуется времени для осуществления этого, но несомненно, что когда-нибудь невыгодный процесс химического сжигания топлива будет заменен электрохимическим «холодным горением».

Топливные элементы найдут применение также в малой энергетике, и при этом раньше, чем в большой. В сельских районах перестанут стучать многочисленные «дизели», уступив свое место бесшумным электрохимическим установкам.

Очень интересна перспектива применения топливных элементов в автомобилях. Автомобили с электрическими двигателями, питаемыми от топливных элементов, не будут отравлять воздух городов вредными выхлопными газами. Создание различных топливных элементов электрохимия считает одной из своих важнейших задач. Ее успешное решение способно преобразить многие отрасли техники.


Просто о сложном – Топливные элементы для выработки электроэнергии для производства электроэнергии

  • Галерея изображений, картинки, фотографии.
  • Топливные элементы для выработки электроэнергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
  • Интересные факты, полезная информация.
  • Зеленые новости – Топливные элементы для выработки электроэнергии.
  • Ссылки на материалы и источники – Топливные элементы для выработки электроэнергии для производства электроэнергии.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

© 2017 Чистая энергия · Копирование материалов сайта без разрешения и установки прямой обратной ссылки запрещено.