1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (811210), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Полная электрохимическая реакция Н«5+'/«О,—.Н,0+5. Суммарная реакция 2СН«0+11«50«+'/«О«-«-2СОг+31.1«О+5. В биохимическом ТЭ, где элсктрический ток вырабатывался в результате окисления водорослей н гриб35э ков, достигнута максимальная мощность (13 — 16) Х уС!0-«Вт)см' при плотности тока (160 —:190) Х Х!0-«А/см'. Считается, что энергия, связанная с микробиологическими процессами, может быть наилучшим образом превращена в электрическую путем генерации топлива (водорода) в отдельном реакторе с последующим использованием его в водородно-кислородном ТЭ. Был разработан биохимический метод получения водорода, основанный на взаимодействии бактерий С!оз(г1- «)!шп рег1г)пяепз и ферментов экстракта дрожжей в отдельном микробиологическом реакторе.
Водород выделяется из реактора со скоростью около !О л)ч. Топливный элемент с ионообменной мембраной фирмы «Дженерал электрик компани», в котором в качестве топлива использовался водород, полученный микробиологическим способом, в качестве окислителя — кислород воздуха, имел плотность тока 0,018 А/см' при напряжении 0,,8 В. В биохимическом ТЭ прямого действия при том же составе среды и с теми же бактериямн была получена плотность тока 0,1 10-' А/см' прн напряжении 0,3 В. Таким образом, по электрическим характеристикам водородно-кислородный ТЭ с ИОМ в !00 — 500 раз превосходит биохимическпч ТЭ прямого действия.
Топливные элементы для питания стимуляторов сердечной деятельности и искусственного сердца находятся в настоящее время в стадии разработки и экспериментальной проверки на животных 17.3!. Подсчитано, что для питания электронных стимуляторов необходима мощность от 50 до 250 мкВт, т. е. от 0,4 до 2,2 Вт ч в год. Аппарат «искусственное сердце» требует значительно болыпих энергетических затрат— от 20 до 30 Вт, или 15 — 22 кВт ч в месяц. Разрабатываются ТЭ для стимуляторов сердечной деятельности н искусственного сердца, в которых электрическая энергия генерируется за счет окисления глюкозы, содержащейся в крови.
Элемент состоит из анода, катода и ИОМ в качестве электролита. Мембрана приведена в равновесие с плазмой крови. Известно, что кровь нормального человека имеет рН=7,4, т, е, является слабогцелочной жидкостью. Близкий к солевому составу крови раствор электролита содержит: 9 г ХаС1; 0,42 г КС!; 0,24 г СаС1«, 0,2 г ЫаНСО,; 2 г глюкозы (С«НыО,) на литр воды, при этом рН крови поддержи- «3 — зз з»з вастся примерно постоянным за счет буферных свойств НаНСОБ Компоненты крови содержат вещества, которые могут быть использованы в качестве активных материалов или их переносчиков для отрицательного и положительного электродов ТЭ, а также в качестве электролита. Содержащаяся в крови глюкоза в миниатюрном биохимическом реакторе, примыкающем к аноду, превращается в Р-глюкононую кислоту и водород. При этом в качестве промежуточного продукта образуется лактон.
Выделяюгцийся из глюкозы водород окпсляется на водородном электроде. Образующиеся ионы водорода диффундируют через мембранный электролит к кислородному электроду, где окисляются с образованием воды. В качестве катализаторов водородного электрода используют платину или платино-родиевый сплав. Для отбора глюкозы из крови используется мембранный фильтр, задерживающий кровяные тельца и высокомолекулярные соединения, в то время как вода с растворенными в ней минеральными солями и глюкозой беспрепятственно попадает в ТЭ. Расчеты показали, что такая мембрана должна иметь порпстость около 50%, толщину 2,2 10 — ' см и размер пор 2 нм. Анодный процесс ограничен из-за малого 10,2г1г) содержания глюкозы в крови, что быстро приводит к концентрационной поляризапии. Катодная реакция изучалась в нескольких направлениях.
В частности, исследовалась возможность использования гемоглобина крови, содержащего красящее вещество гематин, в качестве переносчика кислорода. В некоторых случаях для этого процесса применялись специальные катализаторы восстановления кислорода. Хороший результат показал катализатор на основе Р1, осажденной на МООР В качестве катода также может быть использован обычный воздушный электрод с известными катализаторами. В обоих случаях процесс осложняетсл малым содержанием кислорода в крови н наличием в ней ионов С1-.
Помимо низкой концентрации реагентов, использование плазмы крови в ТЭ ограничено высокой вязкостью крови и недостаточными ее буферными свойствами. Для ускореннл катодной и анодных рсакций в ТЭ описанного типа использовались также катализаторы на основе энзимов, ферментов и хслатных соединений. 354 На моделлх подобных ТЭ получены плотности тока 10 ' А/смг при напряжении 0,5 В н температуре 36,6'С. ГЛАВА ВОСЬМАЯ СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ И Г)ОДГОТОВКИ РЕАГЕНТОВ 1СХПР) Влп ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СХПР В предыдущих главах были рассмотрены проблемы создания собственно ЭХГ.
Как отмечалось, одно из принципиальных отличий ЭХГ от гальванических элементов и аккумуляторных батарей состоит в том, что активные вещества — топливо и окислитель не заложены в источнике, а подводятся непрерывно к электродам извне н течение всего периода работы генератора. Поэтому обязательной составной частью любого типа ЭУ на основе ЭХГ является система хранения и подготовки реагентов. Этп системы могут быть классифицированы следующим образом: 1 СХПР с гизообразными реагенталип в которых топливо н окислитель хранятся в виде сжатых газов и подаются непосредственно в ЭХГ.
2. СХПР с криогенныли реаггнтами, в которых топливо и окислитель хранятся в ожижепном состоянии и перед подачей в ЭХГ газифицируются. 3. СХПР с реагентами в химически связанном состоянии, в которых топливо и окислитель хранятся в виде жидких или твердых водородсодсржащих 1кислородсодержащих) соединений и перед подачей в ЭХГ из них предварительно выделяется чистый водород (кислород) путем соответствующего химического процесса. Несколько особняком стоит в этой классификации СХП водорода, в которой он предварительно сорбирован некоторыми интерметаллическими соединениями и выделяется в газообразном состоянии при их дегидриропанпи.
В схемно-конструктивном отношении наиболее простой является СХПР с газообразными реагентами, так как они хранятся в готовом к подаче в ЭХГ виде. Такая СХПР, в принципе, состоит из баллонов высокого давления (15 — 50 МПа) и системы редуцирования. Наиболее существенным недостатком, ограничивающим применение баллонной системы хранения, является болыцая относительная масса металлических баллонов 25» 355 Массо-габаригиыс ларазгерисшки балтонаа Отношение часты бзлшиа к объс гу газа, иг(\гз Взгсслвгоста, л~ нлв Н, дли Ог дав~ение Ыпа гни н чюериал самонов Гост лг ккг ч иг заг ч л квг.ч ч ивг ч 3 20 !5 20 32 40 50 ГОСТ 949-73 ГОСТ 949-73 ГОСТ 949-73 ГОСТ 949-73 ГОСТ 12247-66 ГОСТ 12247-66 ТУ ВНИТР! 86!-69 Б-!50 (нз углеродистой стали) Б-200 (нз углеродистой стали) Б-!50Л (нз легированной стали) Б-20ГЛ (вз лешгрованной стали) Б-320Л (пз легированной стали) Б-400Л (вз легированной стали) Б-500 (нз стали 20Х()ГФА, армированные стеклоплнстнкоы) 0,4 — 50 0,4 — 50 0,4 — 50 0,4 — 50 80 †!000 80 в !000 0,4 — 8 3,6 — 2,7 1,87 3,5 — 2,6 1,4 1З,3 †,5 12,5 — 9,3 !О 8,35 8,75 — 6,25 7 — 6,5 7 — 6,5 4,2 — 3,0 7,3 — 5,42 7,0 — 5,2 3,74 '2,8 5,6 — 4,68 З,г4 4,9 — 3,5 ) 2,8 ,92 — 3,64 ~ 1,7о 2,8 — 2,34 2,4 — 1,75 1,96 — 1,83 1,96 — 1,83 1,17 — 0,84 1,87 1,4 0,87о 0,7 0,56 3 3,92 — 3,64 1,4 2,35 — 1,68 1,12 Т а б л н и а 8.1.
Массо-габаритные характеристики баллонов на ! м' газа. По этой причине для большинства задач стандартные баллоны не подходят. В настоящее время как в нашей стране, так н ва рубежом нмеютсн облегченные баллоны нв 30 — 50 МПа, которые могут быль использованы длн хранения реагентов. Онн изготавливаются нз спецнальных легированных сталей с высоким пределом прочности в армнрованы стекловолокном. Стекловолокно имеет зна штельно большее сопротивление на разрыв, чем сталь, позтотгу удается получить более прочный н легкий корпус. Очевидно, что с повышенвем давления снижается объем баллонов. Однако повышение давления сильно усложняет нх заправку газон (требуются специальные компрессорные станции), усложняется транспортировка, сннжаютсн сроки хранения заправленных баллонов н, следовательно, ухудшаются технические свойства всей знергоустановкн, В табл.
8.1 приведены характеристики отечественных баллонов высокого давлении прп значениях уделъного расхода в ЭХГ кислорода 0,4 кг/(ггВт ч) н удельного расхода водорода 0,05 кг,г(кВт ч). Наиболее компактна и схемно достаточно проста СХПР с крногенным хранением реагентов — криостат и система газификации (рис. 8.!); однако в этом варианте возникает проблема удержания реагентов в сжиженном состоянии при длительном храпении для предотвращения потерь реагента. Основное преимущество этого способа хранения перед баллонным — небольшая масса. Газы в сжиженном состоянии имеют максимальную объемную плотность, однако необходимость мощной теплоизоляции и ~азовой «подушки» над жидкостью резко снижает объемные характеристики.
В то время как массовые характеристики 356 могут быть в 2 — 8 раза лучше, чем у баллонов, их объемные близки к характеристикам баллонов (табл. 8.27 и даже несколько ниже. Существенным недостатком криогенной системы являются потери газа на испарение вследствие неизбежного теплопритока, составляющие в зависимости от конструкции криостата ! — 2б/о общей массы газа в сутки.
Поэтому криогеииый способ хранения используется в ЭУ, в которых по условиям эксплуатации СХПР могут быть заправлены непосредственно перед началом работы, а длительность непрерывной работы составляет несколько сотен часов, для которых существенную роль играет незначительная масса (например, космических аппаратах), или в мощных ЭУ, часть энергии которых можно затратить па ожижсние испаряющихся газов (па- й(ачйа) ааа пример, на подводных лодках) .
Более сложные системы представляют собой СХПР с реагентач!и в химически связанном состоянии, вклю- Рггс. 8.!. Схема криогенного хране- ння реагентов. т - гсилоиюлиции я — сжижснныа газ; а — нзгрзвагели; Ч вЂ” газаваи ионушка. Таблица 8.2. Массовые н объемные характеристики криогенного хранения реагентов Массо-габаритные характеристики храиилиши с е шч Отиошеиие массы зрииизиши и объему газа, кгня ичи О„ зчи и, Тии зрииизиши сжшисииьш газов л ъВс ч иг инс ч иВт.ч , 'иит-ч КПЖ-ЗОА 28 2,4 1,37 4,18 1,07 2,12 чающие хранилища исходных соединений, реакторы, н которых реализуется разложение этих соединений на рабочий реагент (например, Водород, кислород) и остаточный продукт, а также, при необходимости, агрегаты !узлы) очистки реагента от примесей, образующихся в результате процесса разложения.
Такие СХПР применяются в автономных ЭУ, в которых невозможно или нецелесообразно по эксплуатационным условиям использовать СХПР с газообразными илн крногеннымн реагентами. Водород и кислород в химически связанном состоянии находятся в огромном количестве неорганических и органических соединений. Однако лишь некоторые пз них являются источниками чистых газов, выделяющихся при взаимодействии с другими веществами илп при относительно небольших затратах энергии. Исходными веществами являются в основном широко распространенные, достаточно дешевые, пригодные для длительного хранения и транспортировки вещества, которые дают возможность получать чистые, пригодные к использованию в ЭХГ газы наиболсс простыми технологическими средствами, не требующими значительных энергозатрат и чрезмерно высоких параметров (температур, давлений). Исходные соединения могут быть газообразными, жидкими или твердыми.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
