1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (811207), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Ни одна из этих лабораторий не привела количественных данных и не опубликовала ни одной характеристики. Достоверным является только указание на то, что такие микроорганизмы позволяют достигнуть большей скорости реакции, чем и топливном элементе, н что при работе с такими бактериями к, п, д. составляет около 50б[б. С другой стороны, на большинстве электродов обычных топливных элементов СНа и СО, содержащиеся в вырабатываемой бактериями газовой смеси, злектрохимически почти не окисляются. Если даже бактерии вырабатывают чистый Н,, то в связи с большими внутренним сопротивлением и поляризацией элемента ~акой конструкции, состоящего из трех частей, его к.п.д.
и удельная мощность (на единицу объема или веса) должны быль очень малы. Наконец, эффективность рабо~ы даже наиболее химически активных микроорганизмов должна соответствовать первому и второму законам термодинамики. Наиболее пер- Введение. Классификагуия топливных элементов спективным вариантом биохимического топливного элемента является, очевидно, конструкция, в которой осуьцествляемая микроорганизмами предварительная реакция будет проходить в отдельном реакторе, как это делается, например, в коммунальном хозяйстве, а полученные газы будут сжигаться в обычном топливном элементе. П6. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Топливным элементом является гальванический элемент, в котором изменение свободной энтальпнп при химической реакции обычных реагентов непосредственно преобразуется Ф и г. 8а.
Принципиальная схема регенератпниого топленного элемента. Н элементе ~сггрзна) носстаиаеитезь А н акисмпель В соеяинюатся и АВ, иырабзтыиая электроэнергию. В регеиерэторе гслеаа) продукт реакиии АВ разлагается на А и В при подаоде соогеетстиующей энергии, а реагеиты ииаиь поступают а элемегп. в электрическую энергию.
Согласно схеме, приведенной на фиг. 8а, топливный элемент можно объединить с реактором, в котором образующиеся в элементе продукты реакции восстанавливаются в исходные реагенты; последние вновь подаются в элемент. Подобная система в целом называетсч регенеративным топливным элементом. Согласно первому закону термодинамики, к регенератору должно подводиться минимум такое же количество энергии, какое вырабатывается в топливном элементе, Если к регенератору подводится тепло (первый вариант), а не какой-либо иной «высококачественный» вид энергии, то следует также учесть второй закон термодинамики, согласно которому о~ношение электрической мощности элемента пГЕ к тепловому эффекту реакции г,ут Регснератора может быль в пределе равным к.п.д. цикла Карно.
Глана ) Введение, )(лассифико))ил голл)твных элементов где Т. — рабочая температура элемента, Т, — температура регенератора, при которой изотермически подводится тепло !',)т. Кроме подвода тепла, продукты реакции можно регенерировать также путем подвода химической энергии (второй натопит Аналит дасстанавятвающеа 77иа ррагма Ог /ваг4к) пюплиеа Регенераиия длекп~раднаяреакиия примем упюннага пране)кута«мог таплива акислителя длекародная реакиия Регенерация примем ума«нага прамеяупю «нага теплова акиапитлая Ф иг.
86. Схемй окислительно-носстанонительного («релокел) топлив- ного элемента. Окружавщнй анод анолнт )слева) н окружамщнй катод каталнт )справа) ретенерпру~отса путем васстанавленнк таплпвом н соответственно окнсленнк валдулам. вариант); в этом случае система представляет собой «редокс»- элемент (фиг. 8б). В последнее время становятся также актуальными фотохимическая регенерация (третий вариант) под воздействием света и радиохимическая регенерация (четвертый вариант) под действием радиоактивного излучения. Практически речь идет не столько об использовании этих вариантов 1 — 4 в чистом виде, сколько об их комбинациях. Пе вдаваясь в историю вопроса, а рассматривая лишь но- вейшие достижения в этой области по опубликованным патен- там, следует все же упомянуть, что Нернст [46) был первым ученым, который еще в 1894 г, усомнился в легкой реализуемости идеи Оствальда (4) о топливном элементе прямого действия и как опытный электрохимик выдвинул встречную идею о регенеративном топливном элементе (косвенного действия).
Идея заключалась в использовании в элементе растворяющихся электродов нз быстро реагирующих и легко доступных металлов, Электрохимически окисленные металлы должны затем восстанавливаться обычным топливом в металлургическом восстановительном процессе. В качестве конкретного примера Нерпст привел окисление цинка, который, правда, имеет такой недостаток, как крайне трудное восстановление ХпО окисью углерода из-за очень высокого парциального давления СО в равновесной системе Хп — ХпΠ— СΠ— СОг. Если вместо СО использовать твердый уголь, как это делается в большинстве металлургических восстановительных процессов, то фактически тоже будет осуществлен топливный элемент косвенного действия.
Однако в связи с тем, что в восстановительных процессах уголь используется лишь наполовину, элемент будет иметь к. и. д. не более 50о7о и поэтому не даст значительных преимуществ по сравнению с обычным теплосиловым методом получения электроэнергии. Имеется много старых патентов (25), описывающих, в какой степени пригодны для использования в регенеративном элементе Нернста более благородные, чем Хп, металлы — Ее, Ср), РЬ и Бп. В связи с этим следует упомянуть, что лишь недавно был создан щелочной Хп — Ог-элемент с растворяющимся цинковым электродом. Поскольку цинк рассматривается в нем как обычное топливо, элемент назван топливным элементом (равд. 1.71) .
Благодаря этому и другим подобным предложениям Нернст является изобретателем не только «редокс»-элемента, но и элемента с термической регенерацией, так как в баланс энергии его Хп — О,-элемента благодаря высокой температуре регенерации цинка окисью углерода нли углем входит, помимо химической, также и тепловая энергия.
В чистом виде принцип термической регенерации был осуществлен в 190! г. Джонсом (47), получившим патент на щелочной окисно-ртутный элемент НпΠ— ЫаОН вЂ” (РЬ, Бп), Восстанавливающаяся при электрохимической реакции ртуть вновь окисляется при нагревании на воздухе, а образующийся стапнат выделЯетсЯ с помощью Ва(ОН)г и затем восстанавливается углем. Предельным случаем конструкции элемента с термической регенерацией, не сопровождающейся затратамп химической 54 Глава ! 55 энергии, является элемент Кейза !481, Скиннера !49! и Спплиотополя (50), работающий на хлористом хромеи олове. При высокой температуре в элементе проходит токообразующая реакция Бп + 2СгС4 -ЯпС!г+ 2СгС1г! при комнатной температуре проходит обратная реакция и система приводится в исходное состояние.
Практически важно иметь в виду, что такой топливный элемент с термической регенерацией феноменологически не отличается от термоэлементн, если не вникать в существо их действия. Промежуточным звеном между аккумулятором и элементом с термической регенерацией является предложенный тоже Нернстом (5!) в 1894 г. аккумулятор с большим отрицательным температурным коэффициентом э.д. с, При высокой температуре такой аккумулятор мог бы заряжаться под небольшим напряжением, а при комнатной температуре — разряжаться, давая более высокое напряжение. Третий принципиальный вариант — фотохимическая регенерация под действием световых и рентгеновских лучей— представляет интерес потому, что этим методом можно, например, после добавления соответствующих, поглощающих свет солей разложить на Нг и Ог образующуюся в Нг — Огэлементе воду.
Опыты Хайдта [52) показали, что, к сожалению, даже коротковолновый диапазон солнечного излучения пмеет для этого недостаточно энергии. Напротив, уже давно предложенный в патентах Брауна !53) и Гроссли (54! четвертый вариант — уменьшение поляризации путем ионизации радиоактивными (рентгеновскими) лу. чами — стал в настоящее время весьма актуальным (ср. равд. 1,9). 1.5!. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕИ Ширер, Мостельер, Кьярларьелло и Вернер (55! скон- струировали в «Майн сейфтп эпплайэнс ризерч корпорейшн» замкнутую систему с чисто термической регенерацией.
Сис- тема состоит из работающего при 450'С топливного элемента, в котором происходит гидрирование лития, и регеператора, работающего при температуре ныше 850'С (фиг. 8в), в кото- ром гидрид лития диссоциирует на составные части. В системе происходят следующие реакции: анод: 21.! — 2(Л'+ 2е, катод: Н,+2в — н2Н полная реакция в элементе: 21.!+ Н,— 21ЛН, регенерация: 21ЛН вЂ” ""'.в 21!+ Н . ВведеииЕ.
Классифокация топлианыл элементов Электролитом является расплавленная эвтектпческая смесь 1.!à — 11; Нг-катодом служит пористый металлический электрод. 1-1апряжение холостого хода элемента составляло Ф и г. 8в. Замкнутая регенеративная система лля ЫН с термической регенерацией. Топаивный элемент !в середине слева) содержит полутвердый электролит иа галогени. лов Ы, в котором С! и ггэ Нг соединяются в ЫН, вырабатывая электроэнергию. Продукты реакпг!и двссопвируют в регенераторе !винту справа! нри подводе теоаа в ирн теипературе а!О* С на Ы н Йт, которые вновь подаются в элемент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
