1598005413-fed7095c5cc635c55b82ef4e37ea2648 (Электрохимическая энергетика. Н.В. Коровин, 1991u), страница 18

96 Напрнжение ЗХГ Пэхг Равно сумме напрЯжений последоэзт зтельно соединенных ТЗ или батарей ТЭ за вычетом потерь на алряжения в перемычках между элементами и батареями и на то оки утечки. При работе ЭХГ его напряжение можно регулироть изменением тока нагрузки 1„, рабочей температуры Тр и до о некоторой степени варьированиемдавления Р или концентрации Ср Реагентов и скорости их подачи ьрр: (ЕэхГ Е ( н 2р Ср 1 р~ ьрр). Важной характеристикой ЭХГ является его вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость напряжения от тока нагрузки Пэхг -1(1„).

Для многих ЭХГ в достаточ. но широкой области рабочих токов нагрузки вольт-амперная характеристика может быть линеаризована: (2.50) (1эхг (1эхгз ЕЕэхг Ен~ где Уэхг б — напряжение ЭХГ, экстраполированное на Е„= 0; нЭХГ Еь ПЭХГ~ б Ен* Мощность, снимаемая с ЭХГ на внешнюю нагрузку, равна сумме мощностей батарей ТЗ за вычетом мощности, необходи- мойнасобственныенужды М „: (251) )ь(эхг ~ ™б )ь(с,н. Мощность ЭХГ, необходимая на собственные нужды, изменяется от 1 до 20% мощности ЭХГ и доля ее уменьшается с увеличением его мощности. Во многих случаях ЗХГ должен работать в режиме переменной мощности. Это достигается изменением тока нагрузки, напряжениия ЗХГ в соответствии с уравнением (2.49), включением или выключением резервных батарей ТЭ, а иногда вспомогательных аккумуляторных батарей, Сравнение ЭХГ можно провести по значению их удельной мощности на единицу массы пн или объема%у, которые зависят от характеристик элемен, тов, конструкций ЭХГ и возрастают с увеличением мощности ЭХГ, так как при этом уменьшается доля массы и объема вспомогательных устройств в общих массе и объеме ЗХГ.

97 Эффективный КПЛ ЭХГ ниже КПд из-за потребления знер гни на собственные нужды, а в некоторых ЗХГ и на токи уте. чек. Ресурс ЭХГ определяется ресурсом всех подсистем. Ресурс батареи ТЗ обычно ниже ресурса отдельных ТЭ из-за неодно. родности их характеристик в батареях ТЗ, зто обусловлено неравномерностью распределения токов по элементам, поле» температур по элементам и другими факторами.

Ресурс други систем определяется условиями их работы. Модульный харак. тер построения ЭХГ позволяет увеличивать его ресурс путем замены вышедших из строя модулей или агрегатов. Капитальные затраты на ЭХГ состоят из затрат на батареи ТЭ и вспомогательные системы (подсистемы подвода реагентов, отвода продуктов реакции, тепла и автоматики). Капитальные затраты на батарею ТЭ К, б пропорциональны суммарной пло. щади электродов ТЭ: (2 52) Кз,б Кзз ~г~ где ʄ— капитальные затраты на батарею ТЭ, отнесенные к единице площади поверхности злектродов ТЭ.

Так как по(2.5) Яг Е Иб /(Г/з зг), то Кз,б Кзз Е 1Чб /(~э эг)' Капитальные затраты на вспомогательные системы К рас тут не прямо пропорционально мощности батареи ТЭ: Из (2.55) следует, что удельные затраты на единицу мощности ЗХГ падают с увеличением мощности ЭХГ вследствие сниже,п„я аз з и М, н(см. (2.51)]. Величину К эхг можно вь(разить бо,ев простым выражением К,, ЭХГ = Кэ.

ЭХГ «'«ЭХГ где к,,эхг определяется уравнением (2.55). 2.7. СИСТЕМЫ ПОЕГОТОВКИ И ХРАНЕНИЯ РЕАГЕНТОВ Системы подготовки и хранения топлива могут включать устройства для предварительной переработки природных видов топлива, очистки толли»а от пыли, серосодержашнх соединений и других примесей, сепарации газов, очистки воздуха от пыли и некоторых примесей, хранения топлива и окислителя, ик подогрева и компрессии. Переработка природного топлива обычно проводится с целью получения водорода, который затем подается в ЭХГ. 2.7.1. Термодинамика процессов получения водорода из метана и уелерода. Водород может быть получен при взаимодействии углерода и углеводородов с водяным паром (пара. водяная конверсия), углеводородов с диоксидом углерода и кислородом, а также при пиролизе углеводородов в соответствии со следующими реакциями: К ,з а ,з Е ~~«б' (2,37) (2.57) (2.58) С+2НВО *СОВ+2НВ ~э СО+ НВО СОВ + 2 НВ, (2.5Я) (2.36) (2.60) (2.61) (2.62) (2.63) 99 где а, — затраты на вспомогательные системы, отнесенные к единице мощности батарей ТЭ; а д уменьшается с увеличен«г ем мощности ЭХГ.

Таким образом, капитальные затраты на ЭХГ з,ЭхГ «зз /(('э уг)+ ««з,э] Е 1««б' (2.54) Из уравнения (2.54) следует, что капитальные затраты на ЭХГ растут с увеличением суммарной мощности батареи ТЗ, удель. ной стоимости единицы мощности батареи ТЭ и вспомогатель. ных систем. КРиваЯ зависимости К, эхг от плотности тока з г проходит через минимум. Удельные капитальные затраты на единицу мощности ЗХГ Кз, эхг Кэ, эхг ' 1««эхг (Кзз /((/уг) + ««з,з] Е 1««б' А«эхг' 9В СН4+ НтО = СО+ 3 Нз, СН4 + 2 НВО = СОВ + 4 Ню С+ НВО = СО+ Ню СН4 =С+2НВ, СН4+СОВ =2 СО+2Ню СН4+ 1/2 Оз = СО+ 2 Н СН4 + ОВ СОВ + 2 Нз.

40з,кДж/мель Как видно из табл. 2.7 и рис. 2.14, реакции (2З7), (2 57). (2 61), эндотермические, а реакции (2.36), (2.62) и (2.63) — экзотермиче кие как при комнатной, так и при повышенных температур, Из таб 2.7 едует, что при комнатной те ера уре мо)П самопроизвольно протекать лишь реакции (2З6), (2.62) и (2.63) При повышении температуры термодинамическая вероятное самопРоизвольного пРотеканиЯ всех Реакций, кРоме Реакд)е, (2.36), возрастает (рис. 2.15).

При температуре выше 1000 К в рассмотренные реакции могут протекать самопроизвольно. Пр„ температуре выше 1100 К реакция (2.36) протекает самопрозц. вольно в обратном направлении. Как видно из рис. 2,14, для всат рассмотренных реакций, кроме (2.36), (2.62) и (2.63), необходви подвод тепла либо за счет внешнего источника, либо за счет совмещения энцо- и экзотермических реакций, например (2.37) в (2.62). Суммарные уравнения реакций в последнем случае можно записать в виде СН4+х Н2О+1/2(1-х)О2 ° СО+(х+2) Нг.

(2.(4) 7ОО 7 75 бз кДж/'моль г40 50 150 Можно подобрать такое мольное отношение воды и кислоро. да (х), при котором энтальпия реакции равна нулю, Ь Н = О, т/а теоретически не требуется подвод тепла. Для реакции (2.64) ЬН = О при условии х=у,где -70 Рис. 2.15. Стандартные энергии Гиббса реакций получения водорода (номера кривых соответствуют позициям табл. 2.7) Рлс, 2.14. Стандартные знтальпии реакций получения водорода (но- мера кривых соответствуют позици- зн табл. 2,7) у (Ь НСО - Ь НСН ) / Ь НН <) 1 (2.65) Таблица 2.7.

Термодинамичиыззе ларяктерзытзицз реалци28 ояуд р д р 290К сия, )бр 206.1 164,9 130,2 90,2 -н,г 74,8 247,3 -35,7 -318,7 214,2 1 сз,1 133,7 91,6 -42,1 80,5 257.4 169,9 83,4 10-и 12 ° 10"и 9 „10-зт 10 " 1,1 ° 10з 8,3 ° 10" з 10-зз 1,4 ° 10зз 2 ° 10з 101 СН4+Н20г СО+ 3Н2 СН4+2Н2Ог СО2+4Н2 С + Н2О . = СО+ Нг С + 2 НРО„СО2 + 2 Нг СО+ Н20г = СО2+ Нг СН4 = 2 Нг+ С сн4 + сог = г со+ г нг СН4+2/гог-СО+ 2 Нг СН4+ Ог СО2+ 2 Нг ЬНз, Двз, Ьоз, К кдя/моль дя/моль кди/моль рзвнове., 142,35 113,65 91,30 62,80 -28.7 50,85 171,05 -86,35 -393,75 злесььнсо, ьнсн иьнн О - энтальпии образования СО, СН4 и Н2О,,: При стандартных состояниях веществ у 0,147 при 298 К и 0,09при 1300 К.При х < у реакция протекает зкзотермически (автотермически).

2.7.2. Получение водорода из углеводородов. Наиболее освоено получение водорода из углеводородов методом пароводяной или парокиСЛОрОДной КОНВерСии. В качестве исходного топлива обычно служат природный газ, газы нефтепереработки, бен- зин"н Рафинат (нафта). Пароводяная конверсия метана (реакция ' 37)), являющегося основным компонентом природного газа (2.37 99 /о), протекает в две ступени: (2.37) и (2.36). Первую ступень обычно проводят в аппарате под давлением 1-2 МПа на нике"евых катализаторах при температуре 900-1000 К, если водород выводится из системы (например, через палладиевую мембра.

ну), или при более высоких температурах, если водород из системы не выводится [14]. Состав продуктов зависит от условий проведения процесса, Например, при конверсии в одну ступень при температуре 925 К получен газ состава (мольные доли): Н2 — 59,4%; СΠ— 9,8%. Н2 О - 23 3%; СО2 - 7 5о4 [150, Вей 25]. Минимальное отношение пара к метану, при котором иэ происходит образование сажи, равно 1,5 [95, с. 1195]; обычно это отношение несколько выше. Конверсия монооксида углерод~ [реакция сдвига (2.36)] проводится на железохромовом катали. заторе при 620-670 К (первая ступень) и на медном катализатора при 493-523 К (вторая ступень) [14]. Удельные капитальные затраты на установку получения водорода можно оценить, исходя из данных работы [14] с учетом того, что по прейскурантам 1982 г.

стоимость оборудования возросла в среднем в 1,3-1,5 раза [110, 111]. Принимая расход водорода в ТЭ 40-55 г/(кВт ч) (напряжение 0,9-0,7 В) или 0,45-0,6 мз/(кВт ° ч)*, получим, что производительность установ. ки для получения водорода в электрохимической энергоуста. нонке мощностью 1 МВт должна составлять 450-600 мз ° ч '*. Со. ответственно капитальные затраты на установку по/эучения водорода для электрохимической энергоустановки мощностью 50 МВт составят: 100-135 руб/кВт для очищенного водорода и 95-124 руб/кВт — для неочищенного водорода. Капитальные затраты на установку получения водорода для электрохими ческой энергоустановки мощностью 150 МВт составляют 62- 82 руб/кВт для очищенного водорода и 50-68 руб. - для неочи. щенного водорода.

По данным Вендта [86, с. 1273-1278] капитальные затраты на установку для получения водорода для ЭЭУ составляют: 400 долл/кВт для ЭЭУ мощностью 4 МВт и 150 долл/кВт длл ЭЭУ мощностью 40 МВт. Пароводяная конверсия жидких углеводородов, в частности нафты, также проводится в две ступени. Первая ступень про. водится при температурах 1020-1200 К и стехиометрическов отношении пара к углеводороду, равном 4-6. Вторая отупев~ проводится при 800 К. Максимальный КПЛ конверсии достигает 70% [14]. *Объем водорода здесь н далее отнесен к нормальным условиям (Т = 271 "' Р = 141,1 кпа).