CBRR1497 (729928), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

 èòîãå ýòèõ ïåðâîé è âòîðîé ñòàäèé "õîëîäíîãî ãîðåíèÿ" íà àíîäå îáðàçóåòñÿ èçáûòîê ýëåêòðîíîâ, à â ïðèìûêàþùåì ðàñòâîðå - íåäîñòàòîê èîíîâ ãèäðîêñèëà OH^-. Íà êàòîäå æå èìååòñÿ íåäîñòàòîê ýëåêòðîíîâ, à â îêðóæàþùåì åãî ýëåêòðîëèòå - èçáûòîê èîíîâ H⁺. Âñëåäñòâèå ýòîãî ïðîòåêàþò ñëåäóþùèå äâå ñòàäèè ðåàêöèè.

3. Ïî âíåøíåìó ó÷àñòêó öåïè îò àíîäà ê êàòîäó ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå R_í ïðîõîäÿò ýëåêòðîíû 4e^-, ñîâåðøàÿ ïîëåçíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ðàáîòó (íàïðàâëåíèå òîêà I ïðîòèâîïîëîæíî ïåðåìåùåíèþ ýëåêòðîíîâ).

4.  ýëåêòðîëèòå ïðîèñõîäèò äèôôóçèÿ èîíîâ 4OH^- ñ êàòîäà íà àíîä è ïîñðåäñòâîì èîííîãî òîêà çàìûêàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ öåïü (ñîãëàñíî óðàâíåíèþ íåïðåðûâíîñòè ïîëíîãî òîêà div J = 0).

Åñëè ñëîæèòü ðåàêöèè äëÿ ïåðâîé è âòîðîé ñòàäèè, ïîëó÷èòñÿ ðåçóëüòèðóþùåå óðàâíåíèå ðåàêöèè , êîíå÷íûì ïðîäóêòîì êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ âîäà. Èçáûòî÷íîå êîëè÷åñòâî ïàðîâ âîäû 2H₂O óäàëÿþò èç ÒÝ, íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ ïðîäóâêè ñ ïîñëåäóþùåé ñåïàðàöèåé èëè âûïàðèâàíèåì. Î÷èùåííàÿ îò ïàðîâ ýëåêòðîëèòà, âîäà ìîæåò íàïðàâëÿòüñÿ äëÿ äàëüíåéøåé óòèëèçàöèè (ðèñ. 1à).

Ñáàëàíñèðîâàííûé õîä ðåàêöèé íà óêàçàííûõ ñòàäèÿõ ó ïîâåðõíîñòåé ýëåêòðîäîâ îïðåäåëÿåòñÿ ðàâíîâåñèåì äàâëåíèé ãàçîâîé è æèäêîñòíîé ôàç: p_r = p_{ý +} p_ê ;

çäåñü p_r - âíåøíåå äàâëåíèå ãàçîîáðàçíûõ ðåàãåíòîâ ( âîäîðîäà èëè êèñëîðîäà ); p_ý - ãèäðîñòàòè÷åñêîå äàâëåíèå ýëåêòðîëèòà; p_ê =( cos)/d -

åãî êàïèëëÿðíîå äàâëåíèå â ïîðàõ ýëåêòðîäîâ;  - ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå (H/ì);  - óãîë ñìà÷èâàåìîñòè; d - äèàìåòð ïîðû.

 èçãîòîâëÿåìûõ äâóõñëîéíûìè ýëåêòðîäàõ ÝÕà ïîðû âûïîëíÿþòñÿ ñ ðàçëè÷íûìè çíà÷åíèÿìè d.Ñëîé, êîòîðûé îáðàùåí ê ãàçîâîé ñðåäå(Í₂ èëè Î₂) è ñîäåðæèò èçìåëü÷åííûé êàòàëèçàòîð ( íàïðèìåð, Pt), èìååò òîëùèíó  ììè ïîðû ñ  ìêì.  îáðàùåííîì ê KOH ñëîå ñ ìì ïîðû èìåþò d ìêì. Äàâëåíèå p_ç ìåíüøå íà

÷åì äàâëåíèå êîòîðîå ïðåïÿòñòâóåò âûòåêàíèþ ýëåêòðîëèòà. Íåéòðàëüíûå ìîëåêóëû èëè àòîìû ãàçîîáðàçíûõ êîìïîíåíòîâ ïðè ýòîì çíà÷åíèè p_r òàêæå íå ìîãóò ïðîíèêíóòü â ýëåêòðîëèò, ïðåîäîëåâ êàïèëÿðíûå ñèëû. Íà ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîäîâ îáåñïå÷èâàåòñÿ ðàâíîâåñèå ôàç, ïîýòîìó ÷åðåç KOH âîçìîæíî òîëüêî èîíîâ, îáðàçîâàâøèõñÿ â ðåçóëüòàòå ðåàêöèé.

Íàðÿäó ñ KOH â ÒÝ âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå êèñëîòíîãî ýëåêòðîëèòà - ðàñòâîðà H₂SO₄.

Òðåáóþùååñÿ èñïàðåíèå âîäû èç ýëåìåíòîâ ñ æèäêîñòíûì ýëåêòðîëèòîì, ðàáîòàþùèõ ïðè äàâëåíèè 5×10⁵ Ïà è áîëåå, îïðåäåëÿåò ýêñïëóàòàöèþ ÒÝ íà ñðåäíåòåìïåðàòóðíîì ( 373 - 523 Ê ) èëè âûñîêîòåìïåðàòóðíîì ( áîëå 523 Ê ) óðîâíå, ÷òî îáóñëîâëèâàåò íåîáõîäèìîñòü íàëè÷èÿ â ñîñòàâå ÝÕà ðÿäà òåõíè÷åñêè ñëîæíûõ âñïîìîãàòåëüíûõ óñòðîéñòâ. Äëÿ ïðåîäîëåíèÿ òàêèõ çàòðóäíåíèé ïðèìåíèòåëüíî ê ÀÝÓ ðàçðàáîòàíû âîäîðîä - êèñëîðîäíûå ÒÝ ñ èîíîîáìåííûìè ìåìáðàíàìè (ÈÎÌ) â âèäå êâàçèòâåðäûõ âåùåñòâ (ãåëåé), ðàçäåëÿþùèõ ðàçíîïîëÿðíûå ýëåêòðîäû â ÒÝ. Èçãîòîâëÿþò ÈÎÌ èç ôòîðîóãëåðîäèñòîãî àíàëîãà òåôëîíà. Íà ïîëèìåðíîé ñåòêå - ìàòðèöå çàêðåïëåíû èîíû, îíè ìîãóò îáìåíèâàòüñÿ íà äðóãèå èîíû, ïðèñóòñòâóþùèå â ìåæýëåêòðîííîé ñðåäå. Íà ïðàêòèêå äëÿ ÒÝ ïðèìåíÿþò ÈÎÌ ñ ñóëüôàòíûìè êàòèîíàìè, íàïðèìåð,

Ïî ñâîèì ôóíêöèÿì ÈÎÌ ïîäîáíà ýëåêòðîëèòó, îíà ñïîñîáíà ïðîòèâîñòîÿòü âîçäåéìòâèþ íåéòðàëüíûõ ìîëåêóë è àòîìîâ H₂ è O₂. Ñõåìà ÒÝ ñ ÈÎÌ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 1á. Ïîðèñòûå êåðàìè÷åñêèå ýëåêòðîäû 1 è 2 ïðèæàòû ê ìåìáðàíå 3. Êîíòàêòèðóþùèå ñ ÈÎÌ ïîâåðõíîñòè àíîäà è êàòîäà ïîêðûòû êàòàëèòè÷åñêèìè ñëîÿìè ìåòàëëà. Ïðèíöèï ðàáîòû ÒÝ ñ ÈÎÌ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì.

Íà àíîäå ïîäâîäèìûé ãàçîîáðàçíûé âîäîðîä èîíèçèðóåòñÿ ïî ðåàêöèè:

.

Èîíû âîäîðîäà ïîä âëèÿíèåì ãðàäèåíòà èõ êîíöåíòðàöèè è ñîîòâåòñòâóþùåãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ïåðåìåùàþòñÿ ñêâîçü ÈÎÌ ê êàòîäó, íà êîòîðîì ïðîòåêàåò ðåàêöèÿ:

Ýëåêòðîíû 4e^- ÷åðåç R_í ïîñòóïàþò ê êàòîäó. Ïîëó÷åííàÿ âîäà (H₂O)_n ïîä äåéñòâèåì ãðàäèåíòà åå êîíöåíòðàöèè âîçâðàùàåòñÿ ê àíîäó. Äâå ìîëåêóëû âîäû (2H₂O), îáðàçóþùèåñÿ â ýëåìåíòàðíîì àêòå ðåàêöèè, íåîáõîäèìî îòâîäèòü èç çîíû ðåàêöèè, íàïðèìåð, äðåíàæíûì óñòðîéñòâîì. Ïðè ðàáîòå ÒÝ ãåëü â ÈÎÌ íàáóõàåò è íàõîäèòñÿ, êàê óêàçûâàëîñü, â êâàçèòâåðäîì ñîñòîÿíèè.

Êðîìå ÈÎÌ â ÒÝ ïðèìåíÿþòñÿ òàêæå êàïèëÿðíûå ìåìáðàíû òèïà âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ, ïðîïèòàííûõ ùåëî÷íûì ýëåêòðîëèòîì (íàïðèìåð, àñáåñò). Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ÒÝ ñ êàïèëÿðíûìè ìåìáðàíàìè òàêîé æå, êàê ÒÝ ñ æèäêîñòíûì ýëåêòðîëèòîì.

 îòäåëüíûõ óñòàíîâêàõ âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå ÝÕà ñ ÒÝ, ðàáîòàþùèìè íà äðóãèõ êîìïîíåíòàõ òîïëèâà, êðîìå H₂ - O₂. Èòîãîâàÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ âîññòàíîâèòåëÿ Red è âîññòàíîâèòåëÿ Ox èìååò â îáùåì ñëó÷àå âèä

 ÒÝ èìååò ìåñòî âñòðå÷íîå äâèæåíèå ðàçíîïîëÿðíûõ èîíîâ âíóòðè ýëåêòðîëèòà è ïåðåõîä ýëåêòðîíîâ îò àíîäà ê êàòîäó ïî ñîïðîòèâëåíèþ R_í, çàìûêàþùåìó âíåøíþþ öåïü. Ïðè ýòîì îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðÿìîå ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé Red è Ox â ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Êîíêðåòèçàöèþ îáùåé ôîðìû çàïèñè òîêîîáðàçóþùèõ ðåàêöèé ðàññìîòðèì ïðèìåðå îêèñëåíèÿ ãèäðàçèíà N₂H₄. Ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ ãèäðàçèíà èìååò ìåñòî â ÝÕà ìàëîé ìîùíîñòè.

Àíîäíîå îêèñëåíèå ãèäðàçèíà:

Êàòîäíîå âîññòàíîâëåíèå êèñëîðîäà:

Ñóììàðíîå ñòåõèîìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ðåàêöèè:

Ãðàôèê çàâèñèìîñòè U îò I

à) á)

Ðèñ. 2: Õàðàêòåðèñòèêè âîäîðîäíî - êèñëîðîäíîãî ÝÕÃ:

à - îáùàÿ ôîðìà õàðàêòåðèñòèêèè è çàâèñèìîñòü ïîëåçíîé ìîùíîñòè îò òîêà;

á - àíàëîãè âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè - çàâèñèìîñòè íàïðÿæåíèÿ îò ïëîòíîñòè òîêà äëÿ ÒÝ ðàçëè÷íîãî èñïîëíåíèÿ (1-ñ ðàñòâîðîì ýëåêòðîëèòà; 2-ñ êàïèëÿðíîé ìåìáðàíîé; 3-ñ ÈÎÌ ïðè Ò=355 Ê; 4-ñ ÈÎÌ ïðè Ò=313 Ê).

Âíåøíÿÿ õàðàêòåðèñòèêà U=f(I).

Îòêëîíåíèå îò ñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåñèÿ ïðè ðàáîòå ÒÝ ïðàêòè÷åñêè ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàïðÿæåíèÿ è ñíèæåíèþ ÊÏÄ ïî ñðàâíåíèþ ñ èõ òåðìîäèíàìè÷åñêèìè çíà÷åíèÿìè âñëåäñòâèå èçìåíåíèÿ ïîòåíöèàëà êàòîäà è àíîäà ïðè ïðîõîæäåíèè òîêà â öåïè ÒÝ. Ñîâîêóïíîñòü ýòèõ ÿâëåíèé íàçûâàþò ïîëÿðèçàöèåé. Ïðè ñîâåðøåíèè ðàáîòû âûõîäà (àêòèâàöèè) èç ìåòàëëà ýëåêòðîäà â ðàñòâîð ýëåêòðîëèòà ýëåêòðîí ïðåîäîëåâàåò ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð, îáðàçîâàííûé äâîéíûì ñëîåì ðàçíîèìåííûõ çàðÿäîâ. Íà ãðàíèöå "ýëåêòðîä - ýëåêòðîëèò" íàáëþäàåòñÿ ðàçëè÷èå êîíöåíòðàöèé èîíèçèðîâàííûõ ðåàãåíòîâ. Ýëåêòðîëèò è ýëåêòðîäû èìåþò ñîáñòâåííîå âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå. Óïðîùåííî, ñîâìåñòíîå âëèÿíèå ïåðå÷èñëåííûõ ýôôåêòîâ ìîæíî ó÷åñòü ñ ïîìîùüþ ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íåëèíåéíîì âíóòðåííåì ñîïðîòèâëåíèè ÒÝ R_âí. Ïðè ýòîì óðàâíåíèå âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè ïðèáëèæåííî çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

U = E_í - IR_âí.

ãäå E_í - ÝÄÑ ïðè íàãðóçêå, ó÷èòûâàþùàÿ àêòèâàöèîííóþ è êîíöåíòðàöèîííóþ ïîëÿðèçàöèþ; ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðîëèòà R_ýë ïðàêòè÷åñêè ðàâíî R_âí è ó÷èòûâàåò "îìè÷åñêóþ" ïîëÿðèçàöèþ.

Îáùàÿ ôîðìà âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè ÝÕà ïîêàçàíà íà ðèñ. 2à. Áîëüøàÿ êðóòèçíà | dU / dI | ïðè ìàëûõ è ïîâûøåííûõ çíà÷åíèÿõ òîêà îáóñëîâëåíà ñîîòâåòñòâåííî ïîëÿðèçàöèåé àêòèâàöèè ýëåêòðîäîâ (ó÷àñòîê 1) è ïðèãðàíè÷íîé ïîëÿðèçàöèåé êîíöåíòðàöèè (ó÷àñòîê 3). Ëèíåéíûé ó÷àñòîê 2 ñ îòíîñèòåëüíî ìàëîé êðóòèçíîé | dU / dI | îòðàæàåò âëèÿíèå â îñíîâíîì "îìè÷åñêîé" ïîëÿðèçàöèè. Íà ðèñ. 2á. ïðèâåäåíû àíàëîãè âíåøíèõ õàðàêòåðèñòèê U = U(J) äëÿ êîíêðåòíûõ

Ðèñ. 3: Ñõåìû ÝÕÃ:

à - ïîñëåäîâàòåëüíî-ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ;

á - óïðîùåííàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ.

ÒÝ. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïëîòíîñòü òîêà J (íà åäèíèöó êàæóùåéñÿ ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîäà) ìîæåò ïðè êðàòêîâðåìåííûõ ðåæèìàõ äîñòèãàòü 0.1 - 0.2 À/ñì².

Ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà ÝÕÃ, ïîñòðîåííàÿ ïî ìàòðè÷íîìó ïðèíöèïó, äàíà íà ðèñ. 3à; (I_ý, U_ý - òîê è íàïðÿæåíèå ÒÝ). Óïðîùåííàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ ÒÝ ïðåäñòàâëåííà íà ðèñ. 3á. ñëè ïðè T = const ðàññìàòðèâàòü ÒÝ êàê ëèíåéíûé ýëåìåíò ñ ïîñòîÿííûìè ýêâèâàëåíòíûìè ïàðàìåòðàìè

ãäå R_í, L_í - ñîïðîòèâëåíèå è èíäóêòèâíîñòü íàãðóçêè; L_ý,ò - èíäóêòèâíîñòü ýëåêòðîäîâè òîêîîòâîäîâ, òî ïðîöåññ ðàçðÿäà ÒÝ îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì:

Çäåñü óñòàíîâèâøèéñÿ òîê íàãðóçêè;

ýêâèâàëåíòíàÿ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè.

Ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèå óñòàíîâêè íà áàçå ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ãåíåðàòîðîâ.

ÝÕà â öåëîì êðîìå áàòàðåè ÒÝ è âñïîìîãàòåëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ âêëþ÷àåò ðÿä áëîêîâ, ñíàáæåííûõ âçàèìíûìè ïðÿìûìè è îáðàòíûìè ñâÿçÿìè äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ â çàäàííîì ðåæèìå. Ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü ÝÕà êàê òåõíè÷åñêóþ ñèñòåìó, ñîñòîÿùóþ èç ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîäñèñòåì. Óêðóïíåííàÿ ñõåìà ÝÕà (ðèñ. 4.) â êà÷åñòâå ãëàâíîé ïîäñèñòåìû ñîäåðæèò áàòàðåþ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ ÁÒÝ, à òàêæå ïîäñèñòåìû: õðàíåíèÿ ãîðþ÷åãî ÏÕà è îêèñëèòåëÿ ÏÕÎ; îáðàáîòêè ãîðþ÷åãî ÏÎà è îêèñëèòåëÿ ÏÎÎ; ïîäà÷è ãîðþ÷åãî ÏÏà è îêèñëèòåëÿ ÏÏÎ. Íàðÿäó ñ íèìè èìåþòñÿ ïîäñèñòåìû îòâîäîâ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè ÏÎÏÐ, òåïëîîòâîäà ÏÒÎ è ïîäñèñòåìà êîíòðîëÿ è àâòîìàòèêè ÏÊÀ, êîòîðàÿ ñîåäèíåíà äâóñòîðîííèìè ñâÿçÿìè ñ ïîäñèñòåìàìè ïîäà÷è è îòâîäà. Ê ïîäñèñòåìå ïîòðåáëåíèÿ è ðåãóëèðîâàíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè ÏÏÐÝ ïîäêëþ÷åíà ÁÒÝ.

Ïðèìåíèòåëüíî ê âîäîðîä - êèñëîðîäíîìó ÝÕà â ÏÕÃ, ÏÕÎ îñóùåñòâëÿåòñÿ êðèîãåííîå õðàíåíèå ñæèæåííûõ êîìïîíåíòîâ òîïëèâà, â ÏÎÃ, ÏÎÎ ïðîèçâîäèòñÿ íàãðåâ H₂ è O₂ , êîòîðûå â ãàçîîáðàçíîì ñîñòîÿíèè ïîäâîäÿòñÿ ê ÏÏÃ, ÏÏÎ. Ýòè ïîäñèñòåìû ïðîèçâîäÿò äîçèðîâàííóþ ïîäà÷ó ðåàãåíòîâ ïðè çàäàííûõ ïàðàìåòðàõ (äàâëåíèè, òåìïåðàòóðå) â ÁÒÝ, ãäå ïðîèñõîäèò ðåàêöèÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî îêèñëåíèÿ. Óäàëåíèå ïàðîâ âîäû â ÝÕà âûïîëíÿåò ÏÎÏÐ. Äëÿ ÝÕÃ, ïðèìåíÿåìûõ íà ÊËÀ, âàæíîå çíà÷åíèå èìååò ÏÒÎ, ñîäåðæàùàÿ õîëîäèëüíèê - èçëó÷àòåëü, ê êîòîðîìó òåïëî äîñòàâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ öèðêóëÿöèîííûõ óñòðîéñòâ ñ æèäêîñòíûì òåïëîíîñèòåëåì.

Характеристики

Список файлов реферата