Топливные Элементы Реферат
Топливные Элементы Реферат
Вход
Помощь
Заказать работу
Мой реферат.doc
— 284.00 Кб ( Скачать документ )
© 2009 — 2020 Referat911 — тысячи рефератов, курсовых и дипломных работ
Предметы
Поиск
Помощь
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Ноября 2013 в 19:02, реферат
В данном реферате мы рассмотрим один из наиболее перспективных в настоящее время источников энергии - топливный элемент. Его принципиальное устройство, проблемы связанные с его внедрением и эксплуатацией. Устройство и принцип работы электрохимической энергоустановки в целом, и некоторые из вариантов топливных элементов.
ВВЕДЕНИЕ 4 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 5 2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЭ 8 3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ 10 4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЭ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК 12 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 16 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 17
Министерство образования
и науки Российской Федерации
Федеральное государственное
автономное образовательное учреждение
высшего профессионального
образования
«Российский государственный
профессионально-педагогический университет»
Институт электроэнергетики и информатики
В данном реферате мы рассмотрим
один из наиболее перспективных в
настоящее время источников энергии
- топливный элемент. Его принципиальное устройство, проблемы связанные
с его внедрением и эксплуатацией. Устройство
и принцип работы электрохимической энергоустановки
в целом, и некоторые из вариантов топливных
элементов.
Топливный элемент — электрохимическое ус тройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся
от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие
от ограниченного количества энергии,
запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.
Топливные элементы осуществляют
превращение химической энергии топлива
в электричество, минуя малоэффективные,
идущие с большими потерями, процессы
горения. Это электрохимическое устройство
в результате высокоэффективного «холодного»
горения топлива непосредственно вырабатывает
электроэнергию.
Следует также отметить,
что процессы преобразования химической
энергии в электрическую характеризуются
невысокими значениями КПД (20-40%). Но теоретически он может достигать
и 80%. КПД, определённый по теплоте химической
реакции, может быть и выше 100 % из-за того,
что в работу может превращаться и теплота
окружающей среды
В топливных элементах
химическая энергия топлива и
окислителя, непрерывно подводимых к
электродам, превращается непосредственно
в электрическую энергию, в качестве примера обратим
внимание на принципиальную схему системы
электроснабжения космического корабля
«Джемини» (рис. 2). Выбор топлива и окислителя,
подаваемых в ТЭ, определяется в первую
очередь их электрохимической активностью
(то есть скоростью реакций на электродах),
стоимостью, возможностью легкого подвода
реагента в ТЭ и отвода продуктов реакции
из ТЭ. В качестве топлива в ТЭ обычно используется
водород, реже СО или СН 4 , окислителем
обычно является кислород воздуха. Рассмотрим
для примера работу кислородно-водородного
ТЭ с щелочным электролитом (раствором
КОН).
в ТЭ протекает через
электроокисление водорода на аноде
и электровосстановление
кислорода на катоде
Гидроксид-ионы двигаются
в ионном проводнике (электролите) от
катода к аноду, а электроны во
внешней цепи – от анода к катоду. Суммируя уравнения
реакций (2) и (3) получим уравнение реакции
(1). Таким образом, в результате реакции
(1) во внешней цепи протекает постоянный
электрический ток, то есть происходит
прямое преобразование химической энергии
реакции (1) в электрическую.
Рис. 2. Принципиальная схема электроснабжения
космического корабля «Джемини».
1-батарея ТЭ, 2 - хладагент, 3 – топливо,
4 – окислитель, 5 – подогреватель реагентов,
6 – радиатор, 7 – насос для хладагента,
8 – хладагент, 9 – вода, 10 – аккумулятор,
11 – шины, 12 – электрический контроль
и управление.
Электродвижущую силу (ЭДС)
ТЭ можно рассчитать по уравнениям химической термодинамики
где E э – ЭДС, DG х.р – изменение энергии Гиббса
в результате протекания химической реакции, n – число электронов на
молекулу реагента, F – постоянная Фарадея
(96484 Кл/моль). Например, расчет по уравнению
(4) для реакции (1) и воды в жидком состоянии
при давлениях О 2 и Н 2 , равных
100 кПа, дает значение Е э 298 = 1,23 В.
Так как процесс преобразования
энергии не имеет промежуточной
стадии генерации теплоты (см. рис. 2),
то для электрохимического способа
нет ограничения цикла Карно и теоретический
КПД преобразования энергии можно рассчитать
по уравнению
где DH х.р – изменение энтальпии в результате
протекания химической реакции (тепловой
эффект реакции). Например, КПД, рассчитанный
по уравнению (5), равен η т,298 – 1,0
для метана и η т,298 = 0,94 для водорода.
Принципиальная схема
ТЭ представлена на рис. 3. Топливные
элементы, как и другие источники
тока (гальванические элементы и аккумуляторы),
состоят из анода, катода и ионного проводника
(электролита) между ними. Основное отличие
ТЭ от гальванических элементов заключается
в том, что в ТЭ используются нерасходуемые
электроды, поэтому ТЭ могут работать
длительное время (до нескольких десятков
тысяч часов). Реагенты в ТЭ поступают
во время работы, а не закладываются заранее,
как в гальванических элементах и аккумуляторах.
В отличие от аккумуляторов ТЭ не требуют
подзарядки. Реальный ТЭ имеет сложное
строение по сравнению со схемой, представленной
на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема ТЭ
Впервые о ТЭ в 1839 году
сообщил английский исследователь
Гроув, который при проведении электролиза
воды обнаружил, что после отключения
внешнего тока в ячейке генерируется постоянный
ток. Однако работа Гроува тогда не могла
быть реализована. Не удалось реализовать
и идею известного физикохимика В. Оствальда
(1894 год) о генерации электрической энергии
в ТЭ, работающих на природных углях, а
также изобретенного русским ученым П.
Яблочковым (1887 год) водородно-кислородного
ТЭ и результатов других исследований
и изобретений. Интерес к ТЭ снова возродился
в начале 50-х годов после публикации в
1947 году монографии российского ученого
О. Давтяна, посвященной ТЭ [4]. Работы по
ТЭ ведутся в США, Японии, Германии, России,
Италии, Канаде, Голландии и других странах.
Первое практическое применение ТЭ нашли
на космических кораблях "Джемини",
"Аполлон" и "Шаттл". В России
была созданы ТЭ для корабля "Буран"
[5]. Интерес к ТЭ снова повысился с конца
70-х – начала 80-х годов в связи с необходимостью
разработки экологически чистых стационарных
и транспортных энергоустановок.
Как и любой источник
тока, ТЭ характеризуются напряжением, мощностью и сроком службы.
Напряжение U топливного элемента
ниже ЭДС из-за омического сопротивления
электролита и электродов R и поляризации катода DЕ К и анода DЕ а ,
U = Е э
– IR – (DЕ К + DЕ а ), (6)
Поляризация электродов
обусловлена замедленностью процессов,
протекающих на электродах, и равна разности
потенциалов электрода под током Е I и при отсутствии
тока Е I=0
Поляризация электродов
возрастает с увеличением плотности
тока /, то есть тока, отнесенного к единице площади поверхности электрода S:
При одном и том
же токе можно снизить плотность
тока и поляризацию, применяя пористые
электроды, имеющие высокоразвитую поверхность
(до 100 м 2 /г). В пористом электроде осуществляется
контакт газа (реагента), электролита (ионного
проводника) и электронного проводника.
Процессы в пористых электродах достаточно
сложны.
Для ускорения реакций
в пористые электроды вводят катализаторы.
К катализаторам ТЭ предъявляются
требования высокой активности, длительного
срока службы и приемлемой стоимости. Выбор катализатора
определяется как этими требованиями,
так и видами ТЭ и топлива, рабочей температурой
и областями применения ТЭ. Наиболее широкое
использование нашли платина, палладий,
никель и некоторые полупроводниковые
материалы. Пористые электроды представляют
собой сложную структуру, в которой протекают
электрохимические реакции, подводятся
и отводятся ионы и электроны, подводятся
реагенты, отводятся продукты реакции
и тепло. Эти процессы рассматриваются
в теории пористых электродов (макрокинетике
электродных процессов), которая позволяет
оптимизировать их структуру и толщину
[6].
В соответствии с уравнением
(6) напряжение ТЭ снижается с увеличением
тока. Зависимость напряжения ТЭ от
тока получила название вольт-амперной характеристики. Напряжение большинства
ТЭ лежит в пределах 0,8–0,9 В. Реальный КПД
топливного элемента η р ниже теоретического
и определяется по уравнению
где η р – реальное количество электронов
на молекулу реагента.
Величина η р ниже η уравнения (5) в связи с
неполным использованием реагентов и
их расходом на собственные нужды установок
с ТЭ. Как видно, все факторы, увеличивающие
напряжение (см. уравнение (6)), повышают
КПД.
От напряжения также зависит
и мощность Р:
и удельная мощность на единицу массы m и объема V топливного элемента
В процессе работы характеристики ТЭ постепенно
ухудшаются, что обусловлено дезактивацией
и износом катализаторов, коррозией основ
электродов, изменением структуры электродов
и другими причинами. Ухудшение характеристик
ТЭ ограничивает их срок службы. Для увеличения
срока службы ТЭ применяют химически стойкие
катализаторы (платиновые металлы и оксиды
некоторых металлов) и основы электродов
(графит и никель). Срок службы некоторых
ТЭ достигает 40 тыс. часов.
Для увеличения тока и напряжения ТЭ соединяют в батареи.
Последние могут работать, если в них непрерывно
подаются реагенты и отводятся продукты
реакции и тепло. Устройство, состоящее
из батарей ТЭ, систем подвода реагентов,
автоматики, отвода продуктов реакции
и тепла, получило название электрохимического
генератора (ЭХГ). В свою очередь, ЭХГ входит
в электрохимическую энергоустановку
(ЭЭУ), которая, кроме ЭХГ, включает блок
подготовки топлива, преобразователь
постоянного тока в переменный (инвертор)
и блок использования тепла (рис. 4).
Выбор исходного топлива,
используемого в ЭЭУ, определяется
в первую очередь его стоимостью,
доступностью, экологическими характеристиками,
химической активностью и удельной энергией
на единицу массы. Поэтому в качестве исходного топлива применяют
природный газ, уголь и некоторые недорогие
синтетические виды топлива, например
метанол. Однако с приемлемой скоростью
в ТЭ могут окисляться лишь водород и в
специальных видах ТЭ – монооксид углерода
и метанол. Поэтому природные виды топлива
и метанол предварительно конвертируются
в блоке подготовки топлива в водород
и другие газы, например по реакциям
СН 3 ОН + Н 2 О ↔ СО 2 + ЗН 2 , (10)
Продукты конверсии затем подаются в ТЭ.
Так как реальный КПД ТЭ (40-65%) ниже 100%, то
при их работе выделяется тепло, которое
может быть использовано либо для теплофикации,
либо для генерации дополнительной электрической
энергии с помощью паровых или газовых
турбин.
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 СО 2 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
Н 3 РО 4 ), в которых на аноде и
катоде протекают реакции
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:
Реферат : Топливные элементы - BestReferat.ru
Топливные элементы
Топливные элементы
Реферат Топливные элементы
Топливные элементы . Реферат . История техники. 2009-01-12
Реферат топливные элементы
Топливные элементы | Реферат
Топливный элемент как химический источник электроэнергии
реферат - Топливный элемент как химический источник...
Топливные элементы : виды и принцип работы | Новости
Доклад : Топливные элементы - НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА
История развития топливных элементов
Реферат топливные элементы - Скачать Реферат - Курсовая...
Топливные элементы . Устройство, виды, принцип действия...
Топливные элементы (2) ( Реферат ) - TopRef.ru
Коррозия Металла Реферат По Химии 9 Класс
Сочинение На Тему Памятный День В Гимназии
Скачать Реферат Эмбриональное Развитие Скелета Человека
Реферат На Тему Бедная Лиза Карамзин
Судебно Медицинская Экспертиза Взрывной Травмы Реферат