Топливных элементов

Большое внимание во многих странах мира уделяется непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую, осуществляемому в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД электрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

Рассматривая возможные способы преобразования энергии, необходимо учитывать, что в соответствии с законами физики все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физическими свойствами среды. Это, в свою очередь, практически исключает применение в энергетике больших мощностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных элементах химическая энергия окисления водорода непосредственно превращается в электрическую. Такой способ получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня приходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в электролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так,

Водородный электрод рассмотренной конструкции является только электродом сравнения при измерении потенциалов электродов, а не электродом промышленного источника тока. Тем не менее водородные электроды значительно более сложной конструкции, но работающие на подобном принципе, нашли применение в топливных элементах. Другие газовые электроды — кислородный, хлорный — также нашли применение в некоторых химических источниках тока.

В конце XIX в. многие исследователи занимались проблемой создания топливных элементов, в которых непрерывно производился бы подвод топлива и окислителя, а отводились бы продукты реакции. Многим ученым удалось получить э. д. с., близкие к теоретическим значениям, и о величины токов в топливных элементах, соответствующие им, были ничтожно малы. Чтобы увеличить скорость протекания реакции окисления топлива, приходилось повышать температуры до 700-М 000° С, что вызывало сильную коррозию электродов и других деталей элементов.

В химико-электрических ПЭ («топливных элементах») ограничение ЭДС накладывается другой постоянной — тепловым эквивалентом химической реакции, равным 96500 кДж и представляющим собой работу, которую производит электрический заряд, переносимый 1 г-экв (96 500 кулонов) при напряжении в 1 В

Мощность ПЭ прямого превращения химической энергии в механическую (мускулы животных, «ящик» Вант-Гоффа) также ограничивается малой скоростью диффузионных процессов через поверхность мускульных волокон или полупроницаемые мембраны. Поэтому плотность потока энергии здесь не должна превысить таковой в топливных элементах.

где Е' ^> Е, доступен лишь для некоторых типов ПЭ. Так, пневматические ПЭ можно форсировать сжиганием химического топлива в специальной камере или в цилиндрах поршневой РМ. В топливных элементах каждое горючее и окислитель нуждаются в особых электродах и катализаторах, однако ЭДС топливных элементов незначительно зависит от парциальных давлений газов, что позволяет заменять бедные горючие смеси богатыми, а воздух — кислородом. Этим способом можно форсировать и химические термомеханические ПЭ, особенно внешнего сгорания, поскольку в ДВС при этом возникают трудности организации процессов смесеобразования и сгорания, повышения прочности и т. п. Ядерные и другие ПЭ форсироваться этим методом практически не могут.

Концентрация энергии в химических органических топливах примерно в 30 млн. раз меньше, чем в ядерных. Поэтому транспортирование их обходится дорого и стоимость его является существенной составляющей в расходах на производство полезных видов энергии. Полнота превращения химической энергии в тепловую— 90—95%, в механическую — до 40—45%, в электрическую — до 70—80% и выше (в топливных элементах).

количества всей полученной полезной энергии (работы) к количеству затраченной транспортируемой энергии. Ясно, что КИЭ в отличие от КПД может быть значительно больше единицы — больше 100%. В некоторых же топливных элементах, где протекают реакции с увеличением числа молей газообразных веществ (например, 2С+О2= =2СО) и элемент сильно охлаждается, в электрическую энергию превращается не только теплота реакции, но и энергия дарового тепла, поступающего самопроизвольно из окружающей среды. Это пока единственная возможность использования тепла окружающей среды с энергетическими целями, поэтому развитие работ в этом направлении — важнейшая научная проблема. Если отнести получаемую в таком элементе электроэнергию только к энергии реакции, то получится явное «нарушение» закона сохранения энергии — «КПД» (на самом деле — КИЭ) превзойдет 100%, но если учесть и расход тепла, поступающего из окружающей среды, то все будет в порядке — КИЭ превратится в КПД и не превысит 100%.

Схематически действие реактора-размножителя на быстрых нейтронах показано на 2.22. В результате реакции деления в ядерном горючем 239Ри образуются быстрые нейтроны, а продукты деления выделяют в топливных элементах теплоту. Затем теплота поглощается теплоносителем и используется для производства пара. В защитном слое из воспроизводящего материала 23SU быстрые нейтроны образуют новое ядерное горючее. Выделение плутония из защитного слоя осуществляется химическим путем. Поскольку в данном случае меньшее число нейтронов делящегося материала идет непосредственно на поддержание цепной реакции, его концентрация в ядерном топливе реактора-размножителя на быстрых нейтронах выше, чем в обычном реакторе на тепловых нейтронах, — около 30 % по сравнению с 3 % в последнем. В реакторе-размножителе на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя нельзя использовать воду, поскольку замедление нейтронов в данном случае нежелательно. Вместо нее в современных конструкциях в качестве теплоносителя используется жидкий натрий. При таком теплоносителе внезапная потеря теплоносите-

В топливных элементах были опробованы многие активные вещества, в большинстве случаев газы, поскольку их подвод с постоянным расходом к элементу осуществляется наиболее просто.

БТЭ — батарея топливных элементов

имеет свои специфические особенности, определяющие основную направленность научно-технических разработок при его реализации. Поэтому проблематика задач при изучении накопителей является весьма разнородной и не позволяет канонизировать методические аспекты описания накопителей различного типа. Так, например, для топливных элементов и аккумуляторных батарей главные проблемы связаны с обеспечением сбалансированных физико-химических реакций, решением технологических и материаловедческих задач. Индуктивные накопители должны рассматриваться с учетом динамики электромагнитных процессов, оптимизации геометрии катушек, прочностных характеристик, реализации рациональных тепловых режимов. При описании емкостных накопителей, использующих, как правило, стандартные конденсаторы, акценты смещаются на проблемы оптимальных режимов заряда конденсаторов и рационального согласования характеристик элементов систем с накопителями в динамических режимах. Особое значение при изучении накопителей магнитной и электрической энергии приобретают вопросы коммутации цепей при больших токах и напряжениях, которая, как правило, не может обеспечиваться стандартной аппаратурой и требует разработки специальных быстродействующих замыкателей и размыкателей. Анализ механических накопителей предполагает приоритетную роль вопросов динамики механических процессов и прочностных задач, а при описании электромеханических и электродинамических накопителей не менее важное значение должно отводиться электрическим переходным процессам и тепловым режимам.

ЭХН в целом является комплексным техническим объектом, который помимо батареи ТЭ и вспомогательного оборудования включает целый ряд блоков, имеющих между собой прямые и обратные связи для обеспечения функционирования в заданном рабочем режиме. Можно классифицировать ЭХГ как техническую систему, состоящую из соответствующих подсистем. Укрупненная структурная схема ЭХГ ( 1.5) в качестве главной подсистемы содержит батарею топливных элементов (БТЭ), а также подсистемы: хранения горючего и окислителя ПХГ, ПХО; обработки горючего и окислителя ПОГ, ПОО; подачи горючего и окислителя ППГ, ППО. Кроме того, имеются подсистемы отвода продуктов реакции (ПОПР), теплоотвода ПТО и подсистема контроля и автоматики ПКА. Последняя имеет двухсторонние связи с подсистемами подачи и отвода, показанные встречными стрелками. БТЭ подключена к системе потребления и регулирования электроэнергии (ППРЭ).

— топливных элементов 27 Бессиловая конструкция 112

Прогресс в области разработок и применения МГД-генераторов и нетрадиционных источников электроэнергии — топливных элементов, термоэлектрических и солнечных батарей — вызвал потребность в преобразователях постоянного напряжения.

которые, присоединяя из воды атомы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН". Ионы гид-роксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Таким образом, при подводе водорода и кислорода происходит реакция окисления горючего ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а практически он равен 60— 80%.

Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности применения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удовлетворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800—1200 К, что исключает применение в качестве электролитов водяных растворов щелочи. В этом случае можно использовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

В настоящее время широко ведутся работы над созданием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи элект-трохимии и конструктивные усовершенствования топливных элементов в недалеком будущем сделают возможным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономичны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.

с 1 м2 электрода можно получить не более 200 Вт мощности. А это означает, что при генерировании 100 МВт мощности рабочая площадь электродов должна быть примерно 1 км2,что, конечно, практически нереализуемо. Из-за малой плотности потока энергии неперспективным представляется применение в энергетике и прямого преобразования химической энергии в механическую. Такое преобразование происходит с высоким КПД в мускулах животных. Механизм его достаточно глубоко пока не изучен. Но даже если предположить, что такое преобразование энергии будет воспроизведено искусственно, то оно, видимо, не сможет найти применение в энергетике из-за малой плотности потока энергии, которая не может быть больше, чем у топливных элементов.

В последнем десятилетии много внимания уделяется разработке химических источников тока на основе топливных элементов и электрохимических генераторов. Эти источники имеют большую удельную энергию и длительный срок службы. Создаются новые перспективные типы элементов — литиевые, имеющие вдвое выше э. д. с. и в 2,5—3 раза большую удельную энергию, чем элементы других систем.

Проблема создания ЭХГ занимает ученых уже много лет. Первый топливный элемент был получен еще в 1839 г. (У. Гроув), но он был несовершенен и не нашел технического применения. Занимался топливным элементом в 1887 г. П. Н. Яблочков. За последние два десятилетия созданы ЭХГ, имеющие высокие качественные показатели, что позволило применять ЭХГ как источники тока для космической техники (космические корабли «Джемини» и «Аполлон»), для транспорта и для других областей. Стоимость топливных элементов пока высока.