Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Кислородно-водородный топливный элемент. Работает при 100°С. Ресурс – 10000 ч.2. Кислородно-водородный топливный элемент. Работает при 200°С. Ресурс – 50000 ч.3. Топливом являются продукты конверсии угля (СО + Н2), а электролитом – расплавленная эвтектическая смесь карбонатов лития и натрия. Работаетпри 650°С. Ресурс – 10000 ч.4. Борогидридный топливный элемент. Топливом является щелочной раствор борогидрида натрия или калия.
Работает при комнатной температуре. Ресурс – несколько тысяч часов.Топливом (восстановителем) в представленных выше системах может являться водород, гидриды (борогидрид NaBH4, алюмогидрид NaAlH4), металлы71Электропитание РЭАГлава 2(алюминий, магний), смесь Н2 + СО (генераторный газ, конверсионный газ, водяной газ), спирты (метанол, этанол), углеводороды и даже твердый уголь.Окислитель – воздух, кислород или обогащённый кислородом воздух.Рассмотрим далее известные к настоящему времени топливные элементы.Прямой метаноловый топливный элемент (Direct Methanol Fuel Cell –DFMC) – это разновидность топливного элемента с протонообменной мембраной, в котором топливо (метанол) предварительно не разлагается с выделениемводорода, а напрямую используется в топливном элементе.Поскольку метанол поступает в топливный элемент напрямую, каталитический риформинг (разложение метанола) не нужен; хранить метанол гораздопроще, чем водород, поскольку нет необходимости поддерживать высокое давление, так как метанол при атмосферном давлении является жидкостью.
Энергетическая ёмкость (количество энергии в данном объеме) у метанола выше,чем в таком же объёме сильно сжатого водорода. Например, современные баллоны высокого давления, позволяющие хранить водород при 800 атм., содержат5-7 весовых % водорода по отношению к общей массе баллона. При подсчётетакого "водородного" эквивалента для метанола получается 13%. Такая энергоёмкость является максимальной из всех известных систем хранения топливадля топливных элементов.Метанол ядовит, поэтому использование DMFC приложений в бытовойтехнике может быть опасным. Существенные ограничения на широкое применение топливных элементов накладывает использование в качестве катализаторов драгоценных металлов (платиноидов), что ведёт к дороговизне как самихустановок, так и получаемого электричества.В настоящее время ведутся работы по адаптации DMFC топливных элементов для применения в:- транспорте (например, для бортового электропитания);- портативной РЭА (мобильные телефоны, ноутбуки).72Электропитание РЭАГлава 2Внедрение DMFC-батарей в портативную РЭА позволит ей работать безподзарядки на протяжении нескольких суток или даже недель.К настоящему времени компания "Samsung" продемонстрировала действующий прототип метанолового топливного элемента DMFC (рисунок 2.29).Изделие разработано для применения в военных целях.
Оно способно питать электронное снаряжение солдата в течение 72 ч, при этом вес батареи составляет 3,5 кг, а её энергоёмкость 1800 Вт·ч.Рисунок 2.29 – Топливный источник тока (производство "Samsung")Твердооксидные (твердоокисные) топливные элементы (Solid-oxidefuel cells – SOFC) – разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония),проницаемый для ионов кислорода. Эти элементы работают при очень высокойтемпературе (700-1000°C) и применяются в основном для стационарных установок мощностью от 1 кВт и выше. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия газовой турбины, чтобы повысить общий КПД системы до 70%.В этих топливных элементах ионы кислорода проходят через твёрдыйоксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде.
Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных ке73Электропитание РЭАГлава 2рамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе,как платина (в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива.Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане, бутане, биогазе. Сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена передпоступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов. Сера может и не удаляться из топлива, но тогда необходимо будет повысить рабочую температуру (не менее 700°C).Приложениями данной технологии являются:- крупные стационарные установки мощностью 1 МВт и выше;- бытовые стационарные установки мощностью до 10 кВт;-установкидлябортовогоэлектропитаниятранспорта(напри-мер, автомобильные рефрижераторы) мощностью порядка 5 кВт;- силовые установки водного транспорта.В настоящее время ведутся исследования по снижению рабочей температуры данных топливных элементов.
Уже удалось снизить температуру до500-600°C.В настоящее время в США создан альянс индустриальных групп, работающих над ускорением коммерциализации SOFC-систем для стационарных,транспортных и военных приложений. Альянс работает над программой, цельюкоторой является строительство чистых угольных электростанций, производящих энергию в водородных топливных элементах.В России производством энергоустановок на базе твердооксидных топливных элементов занимается ООО "Уральская производственная компания",являющаяся резидентом инновационного центра "Сколково".74Электропитание РЭАГлава 2Особый интерес представляют твердоокисные топливные элементы спрямым окислением сероводорода (Direct Hydrogen Sulfide Solid Oxide FuelCell – MS-SOFC). Выделяемый при этом диоксид серы может "дожигаться" втопливном элементе с протонно-обменной мембраной до триоксида серы, изкоторого затем производится серная кислота – ценное химическое сырье.
Кроме того, в производство электроэнергии в данном случае вовлекается металлургическая промышленность, поскольку сероводород может быть получен припереработке сульфидных металлических руд. Учитывая, что запасы сульфидов(включая мантию и ядро Земли) составляют около 2,9% от массы планеты, данная технология может представлять собой практически неисчерпаемый источник энергии.Щелочной топливный элемент (Alkaline Fuel Cell – AFC) – наиболееизученная технология топливных элементов, эти элементы летали с человекомна Луну.NASA использует щелочные топливные элементы с середины 1960-х гг.,(например, серия космических аппаратов "Аполлон" и "Спейс Шаттл"). Щелочные топливные элементы потребляют водород и чистый кислород – и производят воду, тепло и электричество.
Они являются самыми эффективными из топливных элементов, их КПД доходит до 70%.Топливный элемент вырабатывает энергию посредством окислительновосстановительной реакции между водородом и кислородом. На аноде водородокисляетсясобразованиемводыивысвобожденияэлектронов. Приэтом электроны текут через внешнюю цепь и возвращаются к катоду, кислородрасходуется в реакции и производит гидроксид ионов. Полный цикл реакциипотребляет одну молекулу кислорода и две молекулы водорода, производя двемолекулы воды.
Электроэнергия и тепловая энергия образуются как побочныепродукты этой реакции.75Электропитание РЭАГлава 2AFC системы являются самыми дешёвыми из топливных элементов впроизводстве. Катализаторы, необходимые для электродов, изготавливают изхимических веществ, которые недороги по сравнению с тем, которые требуются для других типов топливных элементов.Коммерческие перспективы лежат в основном AFC с недавно разработанной версии этой технологии с биполярной пластиной, значительно превосходящей по производительности более ранние версии моноплит.
Так, первый вмире корабль на топливных элементах "Hydra" использует систему AFC с 5 кВтвыходом электроэнергии.Другим недавним событием является появление твердотельного щелочного топливного элемента с использованием анионообменных щелочных мембран вместо жидкости.
Это решает проблему отравления и позволяет развиватьщелочные топливные элементы, способные работать на более безопасных богатых водородом носителях, таких как жидкие растворы мочевины или металлоаминовые комплексы.Таким образом, в настоящее время интенсивно ведутся исследования посозданию топливных элементов на различном топливе: метаноле, боргидриде,бутане, даже обычном дизельном. Пока их стоимость чересчур велика, но прогноз на возможность снижения цены вполне оптимистичен.
Вместе с тем их надёжность повысилась до такой степени, что они могут конкурировать с другими первичными источниками электроэнергии. И хотя характеристики топливных элементов находятся на уровне характеристик литий-ионных аккумуляторов, но теоретически достижимые характеристики в 5 раз выше. Предполагается, что в ХХI веке именно топливные элементы станут основными автономными источниками тока.Сразунесколькокомпаний,средикоторых"NEC","ManhattenScientifics", "Toshiba", уже объявили о готовности к выпуску топливных эле-76Электропитание РЭАГлава 2ментов для портативной РЭА, в первую очередь для мобильных телефонов иноутбуков.2.3.5 Биохимические источники токаБиохимические источники тока можно рассматривать как разновидностьтопливных элементов, так как в них протекают подобные окислительновосстановительные процессы.
Отличие биохимических элементов от топливных состоит в том, что активные вещества (или одно из них) создаются с помощью бактерий или ферментов из различных углеводов и углеродов.Как известно, в настоящее время в некоторых странах биомасса (например, дрова) широко используется населением и достигает в общем энергетическом балансе 80%. Это существенно наносит вред окружающей среде: уничтожаются леса, увеличивается эрозия почвы, высыхают водоёмы. К тому же коэффициент конверсии горения дров очень низкий, а полезные элементы биомассы (N, P) не используются.Ресурсы биомассы, как отходы в лесном и сельскохозяйственном производстве, значительно и ежегодно возобновляются, что и привлекает внимание ких использованию.Существует два основных способа конверсии биомассы в горючий газ:термохимический и биохимический. При первом способе биомасса (древесинаили отходы сельхозпроизводства) подвергаются пиролизу (разложение без доступа воздуха) в реакторе при 400-500°С.При использовании метода биохимической конверсии биомасса поддаётся брожению с образованием горючего газа (70% СН4 и 30% СО2), удельная теплота сгорания близка до условного топлива (29,3 МДж/кг).
При этом на каждую тонну условного топлива одновременно вырабатывается до 1,5-1,8 т высококачественных органических удобрений. Особенно эффективен этот процесс вслучае биохимической переработки отходов животноводческих ферм. В Китаеработают миллионы биогазовых установок средней мощностью 14 тыс. м3 газа77Электропитание РЭАГлава 2в год. В США биохимические источники обеспечивают 5% всей потребляемойв стране электроэнергии.2.3.6 Атомные источники токаАтомная электрическая батарея превращает атомную энергию непосредственно в электрический ток, минуя множество "посредников": паровыекотлы, паропроводы, теплообменники, турбины, вращающиеся генераторы тока.Конструкция атомных источников тока различна в зависимости от принципа их действия.
Напряжение в таких элементах может достигать несколькихкиловольт, а внутреннее сопротивление очень велико (порядка 1013 Ом). Разрядный ток не превышает одного миллиампера. Достоинством таких элементовявляется очень большой срок службы.Наиболее простой является батарея, составленная из двух пластинок:чистого β-излучателя (стронция-90) и какого-либо полупроводника (например,кремния). Поток быстрых электронов, испускаемый стронцием, проходя черезвещество полупроводника, выбивает из него большое количество дополнительных электронов – в десятки и сотни тысяч раз больше, чем поток, испускаемыйсамим радиоактивным изотопом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
