1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (Топливные элементы. Э. Юсти, А. Винзель, 1964u), страница 3

Непосредственное превращение химической энергии в электрическу!о как часть проблемы «высокоэффективные способы преобразования энергии». Принцип действия и определение топливного элемента. Приближенный и точный расчет э. д. с. и к. Пв д. Классификация топливных элементов, !Л. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУ!О ПРИ ПОМОЩИ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА КАК ЧАСТЬ ПРОБЛЕМЫ «ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ». ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ топливного элементА В последние годы все более возрастает интерес к проблеме «высокоэффективные способы преобразования энергии», возникшей на стыке физики, химии и техники. Существо этой проблемы заключается в непосредственном, т.

е, без промежуточных стадий, преобразовании одного нида энергии в другой при полном исключении нз процесса такого вида энергии, как механическая. К рассматриваемым способам относятся, например, основанное на термоэлектрическом эффекте Зеебека непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую, прямое получение холода нз электроэнергии при помощи обратного предыдущему эффекта Пельтье, прямое получение электрической энергии из световой в фотоэлементах и, наконец, непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую в так называемом топливном элементе. Все этп физические явления и процессы в принципе уже давно известны и относятся к обычным методам получения энергии. В отличие от атомного реактора, в котором энергия получается как результат перехода одной формы материи в другую, рассмотренные выше методы характеризуются уже переходом одной формы энергии в другую согласно первому закону термодинамики.

Из всех этих методов получения и аккумулирования электроэнергии !!! наибольшим успехом в настоящее время пользуется топливный элемент. Такой успех вызван тем, что разработка топливных элементов требует относительно более Глава 7 Введение. Клаесификакил тонливных элементов 17 скромных усилий и затрат, чем, например, расщепление или синтез ядерного горючего, а гораздо более высокий по сравнению с соаременными тепловыми электростанциями к.

п. д. топливного элемента позволяет значительно сэкономить запасы обычных топлив — угля, нефти, природного газа и т. п. Кроме того, топливный элемент открывает перспективы для развития электротранспорта, не создающего при движении запахов и шума [2]. Другими преимутцествами топливного элемента являются отсутствие радиоактивных продуктов реакции, возможность аккумулирования избыточной энергии с последующим использованием ее при пиковых нагрузках и, наконец, возможности применения в военной технике.

Все эти преимущества, особенна последнее, содействовали финансированию работ по топливным элементам и обеспечению их кадрами [3]. В последние два года эти рабаты получили мощный толчок со стороны ракетной и космической техники, которой необходимы надежные источники энергии, обладаютцие высоким к.п.д.

и большими удельными мощностями и энергиями (квт/кг, квт/мз, квт ° ч/кг, квт ° ч/мз) независимо от их стоимости. Благодаря этому отпали материальные затруднения, которые сначала препятствовали развитию топливных элементов, когда считалось, что топливный элемент по капитальным затратам и стоимости вырабатываемой электроэнергии должен быть конкурентоспособным с крупными электростанциями. Для выяснения преимуществ непосредственного превращения химической энергии в электрическую сравним этот способ с теплоснловым. Различные способы превращения химической энергии в электрическую представлены на фиг.

1. В электростанции, работающей на угле (верхняя строка фиг. !), вся химическая энергия топлива Х, равная изменению энтальпии при реакции С + О, = СОэ + ЛН, превращается при сгорании угля в тепловую энергию Т. Согласно второму закону термодинамики, теплота как низкокачественный вид энергии может быть преобразована в паровой машине или турбине в механическую энергию М в лучшем случае .вишь в доле, соответствующей к. п.д.

цикла Карно к = (Тт — Т,)/Т,(Т,— начальная температура пара, Т, — конечная температура пара). Поэтому, например, при начальной температуре пара 600'К = 327'С и конечной 300'К = 27'С к.п.д. может быть равным максимум к = (600 — 300)/600 = 0,5 = 50%. На фиг, 1 это выражено меньшей высотой прямоугольника М по сравнению с прямоугольником Т. Дальнейшее почти 100%-ное преобразование механической энергии М в электрическую Э не представляет принципиальных трудностей. Таким образом, основные потери энергии на электростанции при превращении химической энергии топлива в электрическую обусловлены наличием промежуточной стадии превращения теплоты в механическую энергикк Для устранения этого недостатка следует исключить из процесса промежуточное звено, связанное с низкокачественной тепловой энерп1ей.

В средней строке схемы наглядно изображен принцип работы топливного элемента прямого действия, предложенный уже в 1894 г. Оствальдом [4]. Ниже объясняется, почему этот метод, в принципе позволяющий почти полностью преобразовать химическую энергию угля Х в электрическую Э, оказался слишком дорогим для обычной техники.

Фиг. !. Различные способы иревращеиии химической эвертииХ в электрическую З. Нижняя строка поясняет работу топливного элемента косвенного действия. Такой элемент работает не на первичном топливе — угле, нефти или природном газе, а на специальных, пригодных для электрохимического сжигания в элементе топлинах, например легко окисляющихся газах (Нз или СО) и жидкостях (спирт и др.). Как видно из схемы, при преобразовании первичного топлива во вторичное, например газификации угля, теряется некоторая часть энергии, Соответственно такому определению обычную батарейку карманного фонаря, в которой окисление цинка в присутствии хлористого аммония с образованием тетрааминхлорида цинка сопровождается выделением электроэнергии Э вместо теплоты Т, можно рассматривать как топливный элемент косвенного действия [4]. При этом вторичное топливо — цинк может быть получено из такого естественного сырья, как цинковая обманка (сфалерит) или галмей (каламин), путем восстановления первичным топливом — углем или метаном.

Конечно, Введение. )(лассификация топливных элементов Глава I 18 б Збб' баб' !2ОУ' Реакция С+ 02 — — С02 2С+ О, = 2СО 2СО+ О, = 2С02 СН, +202 = С02+21 120; 2Н2+ О, = 21120 1,00 1,02 1,00 1 25 ' 0 84 1,02 70 1,01 1,02 1,01 1,75 1,12 2,00 0,72 0,92 0,63 1,00 1,04 1,00 1,02 0,98 1,06 1,01 1,03 1,о 0,81 1,00 0,88 О, 1,33 0,91 1,20 1,04 1,00 1,04 1,1 8 0,94 1,1 1 0,80 0,95 0,73 не следует без особой необходимости использовать цинк как обычное топливо.

Поэтому в настоящее время топливным элементом называется устройство, в котором при окислении обычного топлива за счет изменения свободной энергии Дб непосредственно образуется электрическая энергия. Это определение не является абсолютно точным, так как, во-первых, оно справедливо также и для живых организмов (животных и людей), а во-вторых, не распространяется на регенеративные элементы (см, фиг. 8а и равд. 1.61), подчиняющиеся циклу Карно. Однако оно является простым и практически удобным. Процессы, пропсходягцие как в элементе Т!екпанше, так и в топливном элементе, можно также определить предложенным нами термином «холодное горение>, получившим распространение во всем мире [5].

Действительно, батарейка карманного фонаря не нагревается при работе, так как в ией вместо теплоты Т образуется электроэнергия Э. Правда, в отношении топливного элемента этот термин довольно идеа- 'Т)(у лизирован, так как при работе элемента, кроме электроэнергии Э, неизбежно образуется теплота Т; она представляет собой тепло Джоуля или энергию поляризации. Однако даже топливный элемент, преобразующий лишь 49",, химической энергии Х в электроэнергию Э и 5! % в теплоту Т, является прогрессом по сравнению с обычной электростанцией, которая превращает в электроэнергию Э лишь немногим более 30о/о теплоты сгорания топлива Т.

Поэтому при определении топливного элемента не сказано «образустся главным образом электрическая энергия», так как в случае повышения нагрузки на топливный элемент и снижения его к. п. д. с 50,1 до 49,9% определение теряло бы смысл, 1.2, ПРИБЛИЖЕННЫЙ И ТОЧНЫЙ РАСЧЕТ Э. Д. С. И К. П, Д, ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Поскольку происходящее почти без потерь непосредственное преобразование теплоты сгорания топлива в электрическую энергию идентично получению электроэнергии за счет химической энергии топлива в гальваническом элементе, то можно легко определить э.

д. с. и к. и. д. такого элемента. Топливный элемент является обычным источником энергии, и к нему применим первый закон термо;1ннампкп. Поэтому в элементе можно преобразовать в электроэнергию в лучшем случае полную калорпметрпческп измеряемую (так называемую нпзшу|о) теплотвориую способность топлива — /ТНН (кал/моль). Получаемая электроэнергия измеряется в в а ° сек = вт ° сек. При преобразовании 1 моль топлива его й(ь = 6,0 А !0" ионов с валентностью и переносят по п элементарных зарядов е = 1,6 ° !О" а ° сек, т.

е. в общей сложности п 96494 а ° сек. Постоянная Усе = Е = 96494 а сек называется фарадей. При введении теплового эквивалента электрической энергии ! в а ° сек = 0,239 кал получаем простое выражение для — ГхНН = 0,239ЕпЕ, и соответственно для э.д. с. Максимальное идеальное напряжение на клеммах элемента при бесконечно малой си.пе тока равно аНзт 5Нн 0239иВ и 23100 ' (1.!) Топливный элемент прямого действия при теплотворной способности угля — ВНуу = 97 000 кал/люль и валентности п = 4 имеет э. д..с.

Е = 97000/4 23! 00 = 1,03 в. Топливный элемент косвенного действия, в котором при получении электроэнергии идет реакция Нв + з/ 02 = Н»О, имеет аналогично при — ЛНн = 57 590 кал/ноль и и,= 2 э. д. с 1,25 в. Для боль шинства рассматриваемых в топливном элементе реакций э,д.с. равна примерно 1 в, что объясняется приблизительным равенством теплотворных способностей топлив, отнесенных к 1 г-экв (табл. 1.!). Таблица д! Стандартные э. д. с. Е(в) н к. п, д. а газовых реакций ') Э Для единообразия все зна ~ения В и а вычислены цри услОвии, что вода в цро дуктах реакций находится в парообразном состоянии. Фактически же ниже тачки росы она конденсируется, н значения Е н а, вычисленные ич дн вместо ап , несколько заи о' ннжены.