Горивни клетки
Тази статия е преведена чрез Google translate
Горивни клетки Горивните клетки са химически източници на енергия. Те осигуряват директна трансформация на горивната енергия в електричество преминава слабо, достигайки с големи загуби процеса на горене. Това електрохимично устройство в резултат на изключително ефективно "студено" изгаряне на гориво директно генерира електричество.
Биохимиците са открили, че биологичните водород-кислородни горивни клетки са "монтирани" във всяка жива клетка (вж. Глава 2).
Източникът на водород в организма служи като храна - мазнини, протеини и въглехидрати. В стомаха, червата, клетките в крайна сметка ще бъдат разширени мономери, които от своя страна след поредица от химични реакции дават водород, прикрепен към молекулата към гостоприемника.
Кислородът от въздуха влиза в кръвта през белите дробове, комбинира се с хемоглобин и пътува до всички тъкани на тялото. Процесът на смесване на водорода с кислорода е биоенергийната основа на тялото. Тук при меки условия (при стайна температура, нормално налягане, вода) високоефективната химическа енергия се трансформира в топлина, механични насекоми (движение на мускулите), електричество (торпедо), светлина (излъчватели на светлина).
Човекът, при когото той повтори устройство, създадено от природата за енергия. В същото време този факт показва обещаващи насоки. Всички процеси в природата са много рационални, така че мерките, необходими за ефективното използване на горивните клетки, дават надежда за бъдещето на енергията.
Откриването през 1838 г. на водородно-кислородни горивни клетки принадлежи на английския учен Уилям Гроув. Изследвайки разграждането на водата до водород и кислород, той открива страничен ефект - електролизаторът произвежда електрически ток.
Какво гори в горивна клетка?
Изкопаемите горива (въглища, нефт и газ) са съставени главно от въглерод. Горещите атоми на гориво губят електрони и кислородните атоми ги придобиват. Тъй като окислението на въглеродните и кислородните атоми са обединени в продуктите на горенето - молекулите на въглеродния диоксид. Този процес е енергичен: атомите и молекулите, участващи в изгарянето, получават високи скорости и това води до повишаване на температурата. Те започват да излъчват светлина - появява се пламък.
Химичната реакция на горене на въглерод е:
В процеса на изгаряне на химическата енергия тя се превръща в топлинна енергия чрез обмен на електрони между атомите на горивото и окислителя. Този обмен се извършва на случаен принцип.
Изгаряне - обменът на електрони между атомите и електрическият ток - Свободен, насочен от електрони. Ако ходът на химичните реакции накара електроните да работят, температурата на горивния процес ще спадне. В горивните клетки електроните се отстраняват от реагентите на един електрод, като се отказват от енергията си под формата на електрически ток и се прикрепват към реагентите на другия.
В основата на всяко попадение - два електрода, свързани с електролит. TE се състои от анод, катод и електролит (виж глава 2) . В анода се окислява, т.е. дава електрони, редуктор (гориво CO или H2), свободните електрони от анода навлизат във външната верига и положителни йони се поддържат на анодно-електролитната граница (CO +, H +). В другия край на веригата електроните са подходящи за катода, който е редукционната реакция (електрон на адхезия на окислител, O2-). След това окисляващите транспортни йони на електролита при катода.
В горивните клетки, както и събраните заедно три фази на физическата и химическата системи:
газ (гориво, окислител);
електролитен (проводник йон);
метален електрод (електронен проводник).
В горивните клетки той се превръща в енергия чрез окислително-редукционна реакция в електричество, както и процеси на окисление и намаляване на пространството, разделени от електролит. Електродите и електролитите в реакцията не участват, а в реални структури върху замърсители във времето на гориво. Електрохимичното горене може да премине при умерени температури и практически без загуби. Фиг. p087 показва ситуация, при която FC получава смес от газове (CO и H2), т.е. е възможно да се изгарят газообразни горива (вж. глава 1). По този начин TE е "всеяден".
Сложното използване на горивните клетки е, че тяхното гориво е необходимо за „подготовка“. За получаване на горивни клетки на основата на водород чрез преобразуване на изкопаеми горива или газификация на въглища. Следователно, блок-схемата за ET захранване от акумулаторни горивни клетки, DC-AC инвертор (виж глава 3). Спомагателното оборудване включва също блок за производство на водород.
Две посоки на развитие на горивните клетки
Има две области на TE: автономна енергия и висока.
За офлайн употреба са основните специфични характеристики и лекота на работа. Разходите за енергия не са основният показател.
По-голямата енергийна ефективност е решаващ фактор. Освен това инсталацията трябва да бъде издръжлива, без скъпи материали и използването на изкопаеми горива с минимална подготовка.
Най-голямата полза обещава използването на горивни клетки в автомобила. Тук, както никъде другаде, това ще повлияе на компактния TE. С директното събиране на електроенергия от последната икономия на гориво от порядъка на 50%.
Идеята за използването на горивни клетки при производството на енергия е формулирана от германския учен У. Осуалд през 1894 г. По-късно той развива идеята за създаване на ефективен ефективен източник на енергия от горивни клетки.
След това бяха направени много опити да се използват въглища като активно вещество в горивните клетки. През 30-те години немският изследовател Бауер създава лабораторен прототип на твърди електролитни горивни клетки за директно анодно окисляване на въглищата. В същото време той изучава кислород-водородните горивни клетки.
През 1958 г. в Англия Бейкън създава първия кислород с капацитет от 5 kW на базата на водород. Но беше тромаво поради използването на газове с високо налягане (2,4 МРа).
От 1955 г. в САЩ К. Кордеш са разработени нискотемпературни кислород-водородни горивни клетки. Те използваха въглеродни електроди с платинени катализатори. В Германия Е. Юст работи върху създаването на неплатинови катализатори.
След 1960 г. са създадени демонстрационни и рекламни мостри. Първото практическо приложение намери космически кораб "Аполон" в горивни клетки. Те бяха големи енергийни инсталации за снабдяване на бордови инструменти и снабдяване на космонавти с вода и топлина.
Основните области на автономните системи с CF са военни и военноморски приложения. В края на 60-те години количеството изследвания на горивните клетки намалява, а след 1980-те отново се увеличава по отношение на производството на енергия.
Компанията разработи VARTA TE с помощта на двустранни газодифузионни електроди. Електроди от този тип се наричат "Янус". Siemens разработи електроди със специфична мощност от 90 W/kg. В САЩ работата по кислород-водородните елементи е собственост на United Technology Corp.
В море от енергия е много обещаващо приложение на горивни клетки за широкомащабно съхранение на енергия, например на базата на водород (вж. § 1). Възобновяемите енергийни източници (слънчева и вятърна енергия) се различават от дисперсията (виж глава 4). Основното им използване, без което бъдещето не може, е невъзможно без силни батерии да съхраняват енергия под една или друга форма.
Проблемът с натрупването на актуалност днес: дневните и седмичните колебания при бременност значително намаляват тяхната ефективност и изискват т. Нар. Anevrennyh капацитет. Алтернатива на електрохимичното съхранение на енергия - горивни клетки, комбинирани с електролизатори и резервоар за газ *.
* Поглед [Газодържател + инж. Holder] държач - депозит за големи количества газ.
Първото поколение горивни клетки
Най-голямото съвършенство е достигнало технологичното поколение TE от първо поколение, работещо на 200. 230 ° C с течни горива, природен газ или водород на база *. Електролитни техники в тях е фосфорната киселина, която запълва порестата въглеродна матрица. Въглеродните електроди и катализаторът са платинени (платината се използва в количества от няколко грама на киловат капацитет).
* Технически водород - продукт за преобразуване на изкопаеми горива, които съдържат малко добавяне на въглероден оксид.
Подобна мощност е пусната в експлоатация в Калифорния през 1991 г. Тя се състои от осемнадесет панела с тегло 18 тона всеки и е поставена в черупката с диаметър малко повече от 2 m и процедурна височина около 5 m. предназначен за подмяна на батерията с използване на конструкцията на рамката се движи по релси.
Две електроцентрали в американския FCS в Япония. Първият беше пуснат в началото на 1983 г. Спецификациите за изпълнение са в съответствие с изчислените. Работила е с товар от 25 до 80% от предната част. Ефективността достигна 30. 37% - е близо до модерната мощна станция. Време от пускането му в студено състояние - от 4 часа 10 минути, а продължителността на смяната на мощността от нула до завършване е само 15 секунди.
Сега в различни части на Съединените щати е изправена пред малка централа за централно отопление с мощност 40 kW, с оползотворяване на горивото около 80%. Те могат да затоплят вода до 130 ° C и да се поставят в перални, спортни комплекси, в точки за контакт и др. Около сто единици вече са работили общо стотици хиляди часове. Екологичните електроцентрали позволяват на горивните клетки да ги поставят в градовете.
Първата бензиностанция в Ню Йорк с мощност 4,5 MW заема територията от 1,3 ха. Сега за нови станции с капацитет от два и половина пъти необходимото пространство за измерване 30x60 м. Изградете няколко демонстрационни електроцентрали с мощност от 11 MW. Удивителен период на строителство (7 месеца) и площта (30h60 m), заета от електроцентралата. Дизайн на новите електроцентрали - 30 години.
И третото от второто поколение горивни клетки
Най-добрите характеристики са проектирани от 5 MW модулни блокове от второ поколение среднотемпературни горивни клетки. Те работят при температури 650. 700 ° C. Тези аноди са направени от синтерирани частици никел и хром, синтеровани и окислени катоди - алуминий, а електролитът е стопена смес от литиев и калиев карбонат. Треската помага за решаването на два основни електрохимични проблема:
намаляване на "отравляемостта" на катализатора с въглероден окис;
подобряване на процеса на възстановяване на окислителя на катода.
Още по-добре би било горивните клетки при високи температури са третото поколение с твърд оксиден електролит (особено циркониев диоксид). работна температура - до 1000 ° С. Ефективността на електроцентралите с горивни клетки е близо до 50%. Тук като подходящо и твърдо гориво за продукти за газификация на въглища с високо съдържание на въглероден окис. Също толкова важно е, че настройката на остатъчната топлина при високи температури може да се използва за производство на пара за задвижване, генериращо турбина.
Компанията използва твърди оксидни горивни клетки Vestingaus от 1958 г. Тя разработва електроцентрала 25. 200 kW, които могат да се използват от газообразни горива, от въглища. Пригответе се за тестване на експериментални инсталации с мощност от няколко мегавата. Друга американска компания Engelgurd зарежда своите 50 кВт силови елементи, работещи на метанол, с фосфорна киселина като електролит.
В създаването на горивни клетки участват няколко компании по целия свят. American United Technology и Toshiba създадоха японска компания International Fuel Cells. В Европа горивните клетки се използват в белгийско-холандския консорциум Elenko, дъщерно дружество на Siemens, италиански Fiat, британец Jonson Metju.