Разработка - топливный элемент
Cтраница 2
В последние годы в основном в связи с разработкой топливного элемента значительное внимание уделялось проблеме адсорбции на твердых электродах, таких, как платина и другие благородные металлы. Вопросы, возникающие при рассмотрении твердых электродов, значительно отличаются от аналогичных вопросов в случае ртути. Например, для твердых электродов нельзя пользоваться классическим термодинамическим методом вычисления поверхностного избытка вещества, поскольку здесь трудно измерить поверхностное натяжение и потенциал нулевого заряда В этих системах адсорбцию изучают методами, упоминавшимися в разд. [16]
В последние годы в большинстве стран большое внимание уделяется разработке топливных элементов. Это - устройство, в котором активный материал не сразу заложен в ХИЭЭ в определенном количестве, а подается в него по мере расходования. [17]
Перед недавно образованной компанией Энерджи кон-вершн ставилась цель содействовать разработке топливных элементов для серийного выпуска; надеются, что водородный элемент под давлением будет одним из нескольких типов топливного элемента, которые заслуживают серьезного внимания. [18]
С тех пор как экспериментальная работа была прекращена, встал вопрос о том, в каком направлении должны про-водиться дальнейшее исследование и разработка топливных элементов. Во-первых, было ясно, что инженеры не согла-сятся с использованием топливных элементов этого типа для аккумулирования энергии, особенно на средствах передвижения, отчасти вследствие весьма высокой стоимости водорода и кислорода, получаемых электролизом воды, а отчасти вследствие большого веса и размера газовых баллонов; если только не будет изобретен какой-нибудь совсем новый метод хранения водорода, неизбежно придется обратиться к использованию экономически доступных жидких топлив. Поскольку непосредственное применение углеводородов и даже метанола в элементе этого типа сопряжено с трудностями, считают, что наилучшим решением является следующее: конвертировать жидкое топливо, такое, как метанол, в смесь водорода и двуокиси углерода ( плюс небольшой процент примесей), отмыть большую часть двуокиси углерода, положим, с помощью моноэтаноламина, а водород использовать электрохимически в элементе ( см. фиг. И наконец, если бы удалось изготовить электроды, которые из газовой смеси электрохимически окисляли бы водород и отбрасывали все остальное, это позволило бы избежать процесса очистки. Несколько лет назад были проведены опыты по использованию водорода, смешанного с окисью углерода, количество которой доходило до 10 %, и результаты получились такие же, как при работе с чистым водородом, хотя следует признать, что длительных испытаний проведено не было. [19]
С тех пор как экспериментальная работа была прекращена, встал вопрос о том, в каком направлении должны про-водиться дальнейшее исследование и разработка топливных элементов. Во-первых, было ясно, что инженеры не согла-сятся с использованием топливных элементов этого типа для аккумулирования энергии, особенно на средствах передвижения, отчасти вследствие весьма высокой стоимости водорода и кислорода, получаемых электролизом воды, а отчасти вследствие большого веса и размера газовых баллонов; если только не будет изобретен какой-нибудь совсем новый метод хранения водорода, неизбежно придется обратиться к использованию экономически доступных жидких топлив. Поскольку непосредственное применение углеводородов и даже метанола в элементе этого типа сопряжено с трудностями, считают, что наилучшим решением является следующее: конвертировать жидкое топливо, такое, как метанол, в смесь водорода и двуокиси углерода ( плюс небольшой процент примесей), отмыть большую часть двуокиси углерода, положим, с помощью моноэтаноламина, а водород использовать электрохимически в элементе ( см. фиг. И наконец, если бы удалось изготовить электроды, которые из газовой смеси электрохимически окисляли бы водород и отбрасывали все остальное, это позволило бы избежать процесса очистки. Несколько лет назад были проведены опыты по использованию водорода, смешанного с окисью углерода, количество которой доходило до 10 %, и результаты получились такие же, как при работе с чистым водородом, хотя следует признать, что длительных испытаний проведено не было. Значит, почти несомненно, что при этих условиях пористые никелевые электроды не отравляются окисью углерода; но, чтобы определить, оказывают ли вредное воздействие на электрод какие-нибудь примеси, которые могут присутствовать в газовой смеси, следовало бы провести испытания на длительность работы в течение нескольких сотен часов; нужно было бы также определить скорость карбонизации раствора гидроокиси калия и разработать практический метод регенерации КОН. [20]
 |
Упрощенная схема топливного элемента.| Свинцово-кислотная батарея ( а и во. [21] |
Высокий КПД топливных элементов позволяет существенно экономить запасы угля, нефти, природного газа. Разработка топливных элементов требует гораздо меньших затрат и усилий, чем, например, расщепление или синтез ядерного горючего. [22]
Однако разработка практически приемлемых топливных элементов и батарей требует развития технологии изготовления электродов и элементов, а также создания средств регулирования и автоматизации. [23]
Водород - единственное в настоящее время топливо для выпускаемых промышленностью топливных элементов - слишком дорог для такого широкого применения ( это относится и к генераторному газу), а элементы, работающие на угле, нефти и природном газе, технически еще недостаточно совершенны. Поэтому до сих пор остается открытым вопрос, не вытеснят ли атомные электростанции традиционные энергоносители из производства электроэнергии, пока разработка топливных элементов не достигнет соответствующего уровня. Существенным недостатком топливных элементов с точки зрения их использования на крупных электростанциях является то, что они дают постоянный ток, который для передачи на большие расстояния необходимо превращать в переменный. Для автомобилей это не является недостатком, так как в их работе постоянный ток предпочтительней, чем переменный В электрохимических процессах ( например, в производстве алюминия) необходим именно постоянный ток. [24]
Как уже указывалось, конструкция гидразинового топливного элемента должна быть разработана с учетом требований подвода реагентов и удаления азота. Возможны по крайней мере пять различных типов гидразин-кислородных топливных элементов, которые классифицируются по методу удаления азота. В основном применяются диффузионный и конвекционный методы, а также гидростатический метод удаления пузырьков. Диффузионный метод заимствован непосредственно из опыта разработки воцородно-кислородного топливного элемента ( фиг. КОН с помощью капилляров, образует неподвижный слой электролита. Топливо, растворенное в электролите, протекает вдоль тыльной стороны анода. Азот, образующийся в межэлектродном пространстве, удаляется исключительно посредством диффузии. [25]
При нормальной работе этих элементов гидразин разлагается на водород и азот в результате гетерогенной поверхностной реакции. Кроме того, количество азота прямо пропорционально электрическому току, образующемуся в элементе при обычной фарадеевской реакции. Водород - реакционноспособное топливо, которое при соответствующей системе регулирования / 4, 5 / может использоваться с высокой эффективностью. В противоположность водороду азот инертен; он накапливается в процессе работы и должен быть отведен из батареи во избежание адсорбции на электродах и изоляции их от топлива и электролита, что приводит в конечном счете к голоданию батареи и увеличению ее внутреннего сопротивления. Таким образом, разработка гидразиновых топливных элементов, пригодных для промышленного производства и эксплуатации, зависит от решения проблемы удаления азота. [26]
Но при этих условиях рабочее напряжение Ег уже не равно Е, а будет меньше его, вследствие поляризации электродов и омических потерь. Следовательно, промышленное использование возможно только таких топливных элементов, которые способны давать значительные токи, сохраняя в то же время достаточно высокое рабочее напряжение. Этим условиям не отвечает реакция ( 1) в табл. 50, так как скорость горения твердого топлива при обычной температуре ничтожно мала. Отбор более или менее заметных токов здесь невозможен без значительного повышения рабочей температуры. Однако даже и при 1000 С скорость окисления твердого горючего еще очень невысока. Идея непосредственного сжигания твердого горючего в топливных элементах временно оставлена почти всеми исследователями, и разработка топливных элементов идет в основном по пути использования газообразного и жидкого топлива. Среди газообразных видов топлива наибольшее внимание привлекают водород и окись углерода, получающиеся при газификации твердого топлива ( или иными способами), а также метан - основной компонент природных газов. Интерес представляют также этан, пропан, бутан, ацетилен и этилен. Как жидкое топливо, перспективными считаются низшие спирты, формальдегид и некоторые другие органические и неорганические вещества. Наибольшее развитие получили топливные элементы, использующие водород как горючее, а чистый кислород или кислород воздуха - как окислитель. [27]
Страницы: 1 2