1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (Топливные элементы. Э. Юсти, А. Винзель, 1964u), страница 6

Подробное сообщение Брурса и Кетелаара об их работах приведено в равд. 9.31. Как сообщает Дезюбей [16), для привода транспортных средств разработаны специальные высокотемпературные эле. менты с полутвердым электролитом, работающие на углеводородах, 1.314. Процесс Горина Практически невозможно создать топливный элемент прямого действия. Однако электрохимическое сжигание угля можно осуществить по приведенной на фнг. 1 схеме: газификация путем соответствующей реакции с последующим использованием в высокотемпературном элементе полученного водяного газа Нл+ СО. Горин [17) предложил интересную объединить газогенератор с батареей высокотемпераидею: о турных э" х элементов в единую тепловую систему и благодаря этому пз , избежать потерь тепла в топливных элементах. Реакцияор б азования водяного газа С + НлО = СО + Нл проте- о кает при ри температуре около 600 С со значительным потреблением т' .

м сила, Напротив, топливный элемент прн умеренном Опрабап~аннвнд ваээух С От СО-элекп7раа Твердь в' элекптрвлплт О -электпрад С Галстух фи„бг. Схема процесса Горина, в котором производящий окись угле- э'„ иерэтор и батарея топливных элементов с нолутвердым электролитом ~ермически об.ьединеиы друг с другом для умеиьщеиви тепловых рода гене ао гм ,т — тОО' С).

Окись углерода, окисленная в топливном элементе потерь ( = „ись углероде, циркулирует с помощью воздуходувка через реактор, д „ом снова восстанавливается в богатую окисью углероде смесь. к п д выделяет большое количество тепла. Горин предложил эксплуатировать топливные элементы при температуре, несколько превышающей температуру газогенератора (800 С против 600' С), используя выделяющееся тепло для газификации угля. Чтобы в идеальном случае полностью обеспечить газогенератор теплом и получить полный к.

п. д. системы (100% ), к. п, д. элементов не должен превышать 77%, До сих пор ни одной исследовательской группе не удалось осуществить этот процесс Горина, схематически изображенный ца фиг, Зг. Известно, что образующаяся в газогенераторе богатая окисью углерода смесь СО и СОв окпсляется в топливном элементе в смесь, богатую СОы а затем вновь частично восстанавливается в конверторе. Согласно нашим собственным опытам, реакция образования водяного газа проходит Глава ! 3 Э. Юсте, й Вензель при 600'С слишком медленно.

Поэтому при работе на угле нельзя получить приемлемые характеристики без слишком высоких затрат на сжатие газов. 1.32. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ, РАБОТАЮЩИЕ ПРИ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Как указано в предыдущем разделе, топливные элементы косвенного действия с полутвердым электролитом работают при менее высоких температурах, чем элементы прямого действия Баура — Эренберга илн Бишоффа — Юсти, Это положение соответствует повседневной практике: в то время как кусковой уголь нельзя зажечь спичкой, жидкие топлива типа спиртов илп бензин легко воспламеняются, а гремучий газ вспыхивает от небольшой искры, создавая менее чем за 1 мсек температуру 2000 — 3000'С. Если газы благодаря их высокой реакционной способности являются вообще наилучшими топливами для топливного элемента, позволяющими получить наиболее высокие плотности тока при наименьших рабочих температурах, то самым лучшим среди них является водород.

Продуктом его сгорания в идеальном случае Ни + + '/,Ое = НеО является чистая вода, которая не оказывает корродирующего действия на электрод и не изменяет электролит (не считая разбавления). На нынешней начальной стадии исследований использование водорода считается наиболее простым и наиболее важным для будущей техники, тем более что дегидрирование топлив в элементах Юсти и Винзеля, работающих на растворенном в электролите жидком топливе (ср. равд. 1,8, фиг.

1Оа; разд. 9.2 и 9.5), также приводит к основному случаю — электрохимическому сжиганию водорода. На. конец, сочетание электролиза воды при помощи избыточной электроэнергии с последующим холодным сжиганием накопленного водорода открывает возможности для создания нового эффективного метода аккумулирования энергии, 1.321. Водородно-кислородный элемент Бэкона, работающий при высоких давлениях Исторически электролиз воды и последующее получение электроэнергии путем рекомбинации гремучего газа были впервые осуществлены Риттером в 1801 г. [18] и Грове в !839 г. [19]. Однако эти ученые не могли задолго до открытия первого закона термодинамики и введения понятия об энергии оценить важность своих опытов. Первый настоящий водородно-кислородный элемент был, без сомнения, сконструн- Введение.

Классссс/искания тоаливньсх элементов рован в 1889 г. Мондом и Лангером [20], Этот элемент давал ток плотностью / = 6,5 лса/см' при (/ = 0,73 в. Монд и Лангер установили, что обращенная к газам сторона электродов должна оставаться сухой. Дальнейшее развитие их работ задержалось вследствие того, что они не смогли найти активных электродных материалов, более дешевых, чем платинированная платина. В 1938 г. Бэкон [2!] повторил опыты Грове с электродами из никелевой сетки, работающими в щелочном растворе.

Результаты оказались довольно незначительными даже при повышении рабочей температуры почти до температуры кипения щелочи (около !10'С). Исходя из этого, Бэкон пришел к выводу, что, используя для электродов такие дешевые материалы, как никель, высокие плотности тока без значительного падения напряжения можно получить лишь при гораздо более вь!соких температурах и давлениях. При этом во избежание закипания электролита давление должно экспонеициально увеличиваться с повышением температуры.

Сознательно подойдя к решению этой проблемы лишь с инженерной точки зрения, Бэкон сконструировал в 1939 г. свой первый элемент, который мог работать при давлениях до 200 атм и при средних температурах. Элемент был разработан как аккумулятор, который сначала «заряжался» в процессе электролиза, а затем благодаря происходящей между теми же электродами реакции рекомбинации накопленных водорода и кислорода должен был вырабатывать электроэнергию, На фиг. 4а показан разрез такого водородно-кислородного элемента высокого давления. В качестве электролита в нем применялся 27%-ный водный раствор КОН.

Полые цилиндрические электроды были изготовлены из никелевой сетки и активированы путем попеременного окисления на воздухе и восстановления в атмосфере водорода, Другие металлы, такие, как Р1, Рс[, А8 и Сц, не применялись отчасти из-за их высокой стоимости, отчасти из-за того, что никелевые электРоды имели более высокую коррозионную стойкость и лучшие электрические характеристики. После исследования многих вариантов электродов и рабочих условий была наконец достигнута плотность тока с = 13 лса/слсэ (в расчете на наружную поверхность внутреннего, положительного электрода) при напряжении (/ = 0,89 в и температуре / = 100' С (Г = 373' К). Вопреки ожиданиям повышение температуры не привело к дальнейшим улучшениям элемента.

Это было вызвано необратимым анодным окислением кислородного электрода при электролизе. 34 Г,таво ! 7. °- После того как элемент был обеспечен отдельным электролизером, мощность его стала монотонно увеличиваться с ростом температуры. При ! = 240'С и полном давлении (давление щелочи совместно с давлением Н, или соответственно 02) Ф и г. 4а. Модель Н,— О,-элер мента Бэкона 1939 г. для электролиза Н,О и последующей, проходящей с образоэанием электроэнергии рекомбинации Н, и Ош уд Электроды изготоалеиы из никелевой сетки. 1- никслсоый наконечник; !†ннкеленое покрытие; 3 в ноложнтельиыгд электрод 11 из никелезан сетки; à — ннкедезьм пако.

печник; 3 --эааемление; б — нзолироззнная кдем»а; 7 — стальная крышка; 3 в стальной корпус; Э -отрипзтельный электрод из никелевой сетки; 1Л- асбестоьая Лиафрагма; П вЂ” стальная крышка; 12 в штунер лля ьганометра; !3 в отаерстие для термоэлемента. р = 73 атл! плотность тока повысилась до 1' = 81 ма/смй при (/ = 0,65 в, Приходящаяся иа единицу поверхиости электрода мощность 0,053 вт/см' была наибольшей из достигнутых к тому времени удельных мощностей топливных элементов. Несмотря иа это, такая удельная мощность (вг/см' или вт/кг) была еще недостаточной для технического использования элемента. Бо всех последующих моделях Бэкона газы подводились к электродам с тыльной стороны. Этот 'метод, иа который еще в 1938 г.

Таифериа получил английский патент, использовали также и другие исследова- Введение. К.твссиг/гикачия топливных элементов тели. После двух десятилетий дальнейших работ Бэкон создал еще одну модель, схема которой приведена иа фиг, 46. Пористые дисковые электроды изготовлены путем спекаиия карбоиильиого никеля, основные части элемента изготовлены из Ф и г.

4б. Рабочая схема Н,— О,-элемента аысокого давления Бэкона (2Ц 1-пористый Игаапарный слон И шпала с парами размеро» гб.ик; 2 — рабочий слой И,-нг-анола с порами размером Зб.кк; 3-оалажда~оитне ребра копдейсатора; Л-конденсатор эоляпого пара, образугошегося прн реакнин; б — насос ллн ниркуляпаи Ий б — ненталь л.ш спуска конденсата; 7 — зпуск О, под писании ланленисм; в- емкость лля электролита; Р- апуск Из под зысоким давлением; 10-днфференпиальный манометр. никелированной стали или никеля.

Электролитом служит 37 — 50%-иый водный раствор КОН при ! = 200 —: 240'С и полном давлении р = 20 —: 41 атм (элемеит работает преимуществеиио при температуре 200'С и давлении 27 атм). Диффузионные электроды толщииой около 1,8 лтм благодаря особым методам изготовления [21] и применению монозериистого никеля имеют иа газовой стороне поры величиной около 3- мк, а иа стороне, обращенной к электролиту, — около 163!к чо («электроды с двойной пористостьюэ). При перепаде давлений между газовыми камерами и электролитом около 0,0!аулу 36 Глава ! Введение.

К.таееифанаяан топливных элементов 37 раствор КОН выталкивается газами из швроких пор электродов. Однако вследствие большего капиллярного давления в мелких порах газы не могут пройти через них и попасть в электролит электрохимически неиспользованными. Широкие поры на газовой стороне электрода, обладающие большой адсорбционной поверхностью, являются рабочимв порами. Для уменьшения коррозии под воздействием О» в КОН кислородные электроды предварительно окисляются на воздухе при высокой температуре.