Palivové články
Tento článok bol preložený pomocou služby Google Translate
Palivové články Palivové články sú chemickými zdrojmi energie. Poskytujú priamu transformáciu energie z paliva na elektrinu, ktorá prechádza slabo a dosahuje veľké straty spaľovacím procesom. Toto elektrochemické zariadenie v dôsledku mimoriadne efektívneho „studeného“ spaľovania paliva priamo vyrába elektrinu.
Biochemici zistili, že biologické palivové články vodík - kyslík sa „montujú“ do všetkých živých buniek (pozri kapitolu 2).
Zdroj vodíka v tele slúži ako potrava - tuky, bielkoviny a sacharidy. V žalúdku, čreve, bunkách to nakoniec budú expandované monoméry, ktoré zase po sérii chemických reakcií poskytnú hostiteľovi vodík pripojený k molekule.
Kyslík zo vzduchu vstupuje do krvi pľúcami, kombinuje sa s hemoglobínom a cestuje do všetkých tkanív tela. Proces zmiešania vodíka s kyslíkom je bioenergetickým základom tela. Tu sa za miernych podmienok (pri izbovej teplote, normálnom tlaku, vode) vysokoúčinná chemická energia mení na teplo, mechanický hmyz (pohyb svalov), elektrina (torpédo), svetlo (svetelné zdroje).
Muž, v ktorom pre energiu zopakoval zariadenie vytvorené prírodou. Táto skutočnosť zároveň ukazuje sľubné smerovanie. Všetky procesy v prírode sú veľmi racionálne, takže opatrenia potrebné na efektívne využitie palivových článkov poskytujú nádej na budúcnosť energie.
Otvorenie palivových článkov vodík-kyslík v roku 1838 patrí anglickému vedcovi Williamovi Groveovi. Skúmajte rozklad vody na vodík a kyslík a zistil vedľajší účinok - elektrický prúd vyrobený z elektrolyzéra.
Čo horí v palivovom článku?
Fosílne palivá (uhlie, ropa a plyn) sú zložené hlavne z uhlíka. Spaľujúce atómy paliva strácajú elektróny a atómy kyslíka ich získavajú. Pretože oxidácia atómov uhlíka a kyslíka je zjednotená v produktoch spaľovania - molekulách oxidu uhličitého. Tento proces je energetický: atómy a molekuly zapojené do horenia dosahujú vysoké rýchlosti a to vedie k zvýšeniu teploty. Začnú vyžarovať svetlo - objaví sa plameň.
Chemická reakcia spaľovania uhlíka je:
V procese spaľovania chemickej energie sa mení na tepelnú energiu výmenou elektrónov medzi palivom a atómami oxidačného činidla. Táto výmena prebieha náhodne.
Horenie - výmena elektrónov medzi atómami a elektrický prúd - voľné riadené elektrónmi. Ak priebeh chemických reakcií spôsobí prácu elektrónov, teplota spaľovacieho procesu poklesne. V palivových článkoch sú elektróny z činidiel odstránené na jednej elektróde, pričom sa vzdajú svojej energie vo forme elektrického prúdu, a sú pripojené k činidlám na druhej elektróde.
Základ akéhokoľvek zásahu - dve elektródy spojené elektrolytom. TE sa skladá z anódy, katódy a elektrolytu (pozri kapitolu 2). Na anóde je oxidovaná, tj. Dáva elektróny, redukčné činidlo (palivo CO alebo H2), voľné elektróny z anódy vstupujú do vonkajšieho obvodu a kladné ióny sa udržiavajú na anódo-elektrolytickej hranici (CO +, H +). Na druhom konci reťazca sú elektróny vhodné pre katódu, ktorou je redukčná reakcia (oxidačný adhézny elektrón, O2-). Potom oxidujúce transportné ióny elektrolytu na katóde.
V palivových článkoch, ako aj dohromady tri fázy fyzikálnych a chemických systémov:
plyn (palivo, oxidant);
elektrolytický (vodič Ion);
kovová elektróda (elektrónový vodič).
V palivových článkoch sa mení na energiu redoxnou reakciou na elektrinu, ako aj oxidačnými a redukčnými procesmi oddelenými elektrolytom. Elektródy a elektrolyty v reakcii nie sú zapojené, ale v skutočných štruktúrach na kontaminujúcich látkach v čase spotreby paliva. Elektrochemické spaľovanie môže prechádzať pri miernych teplotách a prakticky bez strát. Obr. p087 ukazuje situáciu, v ktorej FC prijíma zmes plynov (CO a H2), tj. je možné spaľovať plynné palivá (pozri kapitolu 1). TE je teda „všežravý“.
Komplikácia používania palivových článkov spočíva v tom, že ich palivo je potrebné na „prípravu“. Získať palivové články na vodíkovej báze premenou fosílnych palív alebo splyňovaním uhlia. Preto je bloková schéma pre energiu ET ako batériové palivové články, menič DC-AC (pozri kapitolu 3). Medzi pomocné vybavenie patrí aj blok na výrobu vodíka.
Dva smery vývoja palivových článkov
Existujú dva rozsahy TE: autonómna energia a vysoká.
Pre offline použitie sú hlavné špecifické vlastnosti a ľahká obsluha. Náklady na energiu nie sú hlavným ukazovateľom.
Väčšia energetická účinnosť je rozhodujúcim faktorom. Inštalácia musí byť navyše odolná, bez drahých materiálov a s minimálnou prípravou na použitie fosílnych palív.
Najväčším prínosom je použitie palivových článkov v automobile. Tu, rovnako ako nikde inde, to neovplyvní kompaktný TE. S priamym odberom elektriny z spotreby paliva za posledných rádovo 50%.
Myšlienku využitia palivových článkov pri výrobe energie sformuloval nemecký vedec W. Oswald v roku 1894. Neskôr rozvinul myšlienku vytvorenia efektívneho efektívneho zdroja energie z palivových článkov.
Potom sa uskutočnilo veľa pokusov o použitie uhlia ako účinnej látky v palivových článkoch. V 30. rokoch minulého storočia vytvoril nemecký výskumník Bauer laboratórny prototyp palivových článkov na tuhý elektrolyt na priamu anodickú oxidáciu uhlia. Zároveň študoval palivové články kyslík-vodík.
V roku 1958 v Anglicku vytvoril Bacon prvú kyslíkovú kapacitu na báze vodíka pre 5 kW elektrárne. Ale bolo to ťažkopádne kvôli použitiu vysokotlakových plynov (2,4 MPa).
Od roku 1955 vyvinul USA K. Kordesh nízkoteplotné palivové články kyslík-vodík. Použili uhlíkové elektródy s platinovými katalyzátormi. V Nemecku E. Yust pracoval na vytvorení neplatinovyh katalyzátorov.
Po roku 1960 boli vytvorené demonštračné a propagačné vzorky. Prvá praktická aplikácia našla kozmickú loď „Apollo“ v palivových článkoch. Boli to veľké energetické zariadenia na zásobovanie palubných prístrojov a zásobovanie astronautov vodou a teplom.
Hlavnými oblasťami autonómnych systémov s CF boli vojenské a námorné aplikácie. Na konci 60. rokov sa znížil objem výskumu palivových článkov a po 80. rokoch sa opäť zvýšil z hľadiska výroby energie.
Spoločnosť vyvinula VARTA TE pomocou bilaterálnych elektród gazodifuzionnyh. Elektródy tohto typu sa nazývajú „Janus“. Spoločnosť Siemens vyvinula elektródy so špecifickým výkonom 90 W/kg. V USA vlastní práce na kyslíko-vodíkových prvkoch spoločnosť United Technology Corp.
V mori energie je veľmi sľubné použitie palivových článkov na veľké uskladnenie energie, napríklad na báze vodíka (pozri § 1). Obnoviteľné zdroje energie (slnečná a veterná energia) sa líšia od disperzie (pozri kapitolu 4). Ich hlavné použitie, bez ktorého sa budúcnosť nezaobíde, je nemožné bez silných batérií, ktoré uchovávajú energiu v tej či onej podobe.
Problém akumulácie aktuálnosti dnes: denné a týždenné výkyvy v tehotenstve významne znižujú ich účinnosť a vyžadujú si takzvanú anevrennyh kapacitu. Alternatíva k elektrochemickému ukladaniu energie - palivové články v kombinácii s elektrolyzérmi a plynovou nádržou *.
* Pohľad [Gasholder + Eng. Držiteľ] držiteľ - záloha za veľké množstvo plynu.
Prvá generácia palivových článkov
Najväčšia dokonalosť dosiahla technologickú generáciu TE prvej generácie, ktorá pracuje na hodnote 200. 230 ° C s kvapalnými palivami, zemným plynom alebo vodíkom na báze pri *. Elektrolitickou technikou v nich je kyselina fosforečná, ktorá vyplňuje pórovitú uhlíkovú matricu. Uhlíkové elektródy a katalyzátor sú platina (platina sa používa v množstve niekoľkých gramov na kilowattovú kapacitu).
* Technický vodík - produkt na konverziu fosílnych palív, ktoré obsahujú malé množstvo oxidu uhoľnatého.
Takáto energia bola uvedená do prevádzky v Kalifornii v roku 1991. Skladá sa z osemnástich panelov s hmotnosťou každého 18 ton a umiestnených v plášti s priemerom niečo viac ako 2 ma procesnou výškou asi 5 m. určené na výmenu batérií pomocou rámovej konštrukcie sa pohybuje po koľajniciach.
Dve elektrárne v USA FCS v Japonsku. Prvý bol uvedený na trh začiatkom roku 1983. Výkonové špecifikácie sú v súlade s tými, ktoré boli vypočítané. Pracovala so záťažou 25 až 80% prednej časti. Účinnosť dosiahla 30. 37% - je blízko k modernej vysokoenergetickej stanici. Čas od spustenia z chladného stavu - od 4 h 10 min. A doba zmeny energie z nuly na úplnú je iba 15 sekúnd.
Teraz v rôznych častiach Spojených štátov stojí malá tepláreň s výkonom 40 kW a so spotrebou paliva asi 80%. Môžu ohriať vodu na 130 ° C a umiestniť ich do práčovní, športových komplexov, na kontaktné miesta atď. Asi sto jednotiek už odpracovalo spolu státisíce hodín. Ekologické elektrárne umožňujú palivovým článkom ich umiestniť v mestách.
Prvá čerpacia stanica v New Yorku s kapacitou 4,5 MW zaberala územie 1,3 ha. Teraz je pre nové stanice s kapacitou dva a pol násobku požadovaného meracieho priestoru 30x60 m. Postavte niekoľko demonštračných elektrární s výkonom 11 MW. Úžasná doba výstavby (7 mesiacov) a plocha (30h60 m), obsadená elektrárňou. Dizajnová životnosť nových elektrární - 30 rokov.
A tretia z druhej generácie palivových článkov
Najlepšie vlastnosti navrhli modulárne jednotky s výkonom 5 MW palivových článkov so strednou teplotou druhej generácie. Pracujú pri teplotách 650 ° C. 700 ° C. Tieto anódy sú vyrobené zo spekaných častíc niklu a chrómu, zo spekaných a oxidovaných katód - hliník a elektrolyt je roztavená zmes lítia a uhličitanu draselného. Horúčka pomáha vyriešiť dva hlavné elektrochemické problémy:
redukcia katalyzátora "otravlyaemost" oxidom uhoľnatým;
zlepšiť proces obnovy oxidantu na katóde.
Ešte lepšie by bolo, keby palivové články pri vysokých teplotách boli treťou generáciou s tuhým oxidovým elektrolytom (najmä oxidom zirkoničitým). prevádzková teplota - do 1 000 ° C. Účinnosť elektrární s palivovými článkami sa blíži k 50%. Tu ako vhodné a tuhé palivo pre produkty splyňovania uhlia s vysokým obsahom oxidu uhoľnatého. Je rovnako dôležité, aby sa nastavenie zvyškového tepla pri vysokých teplotách mohlo použiť na výrobu pary pre pohon turbín.
Spoločnosť zamestnáva palivové články na tuhý oxid Vestingaus od roku 1958. Vyvíja elektráreň 25. 200 kW, ktoré môžu využívať plynné palivá, z uhlia. Pripravte sa na testovanie experimentálnych inštalácií s kapacitou niekoľkých megawattov. Ďalšia americká spoločnosť Engelgurd modeluje svoje prevádzkové prvky s palivovým výkonom 50 kW na metanole s kyselinou fosforečnou ako elektrolytom.
Do tvorby palivových článkov patrí niekoľko spoločností z celého sveta. American United Technology a Toshiba vytvorili japonskú spoločnosť International Fuel Cells. V Európe sú palivové články zamestnané v belgicko-holandskom konzorciu Elenko, dcérskej spoločnosti spoločnosti Siemens, talianskom Fiate, britskom Jonsone Metju.