Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии эффективного преобразования энергии. Учебное пособие
.pdf
иона кислорода
2O
в электролит и обусловливают образование на гра-
нице катод – электролит положительного равновесного потенциала.
Разность равновесных потенциалов создает электродвижущую
силу Е(В):
()()E
к a к a
. (2.10)
Теперь, если включить внешнюю цепь, между анодом и катодом будет
поток электронов. Условно принято, что в проводниках первого рода
направление тока противоположно направлению движения электронов.
Поэтому во внешней цепи направление тока будет от катода к аноду.
Наличие тока в электролите (проводнике второго рода) связано с пе-
ремещением в противоположных направлениях
жительно заряженных ионов и анионов
– отрицательно заряжен-
OH
катионов
K
– поло-
ных ионов. Направление тока в электролите совпадает с направлением
движения катионов, которые перемещаются к положительному электроду – катоду, получающему электроны из внешней цепи. Анионы всегда движутся к отрицательному электроду аноду, от которого электроны
уходят во внешнюю цепь.
Наличие ЭДС, приводящей к перемещению электронов во внешней
цепи, нарушает
равновесие в ТЭ, имевшее место при разомкнутой внеш-
ней цепи. Однако электрохимический окислительно-восстановитель-
ный процесс его восстанавливает. Ионы электролита
, несущие от-
OH
рицательный заряд, перемещаются к аноду и соединяются там с поло-
жительным ионом
HO.
воду
На аноде происходит реакция окисления, сопровождающа-
2
H
, образуя продукт электрохимической реакции –
яся отдачей электронов во внешнюю цепь.
2H 4OH 4H O 4 .e
22
На катоде происходит реакция восстановления, связанная с получением электронов из внешней цепи, образованием отрицательно заря-
2O
женных ионов
лита и созданием ионов
с последующим их переходом в раствор электро-
:
OH
O4 2HO4OHe
.
22
21
2.3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЗА СЧЕТ ВЫБОРА ТОПЛИВА
Все виды топлива можно условно разбить на три класса. В первом
будет водород. Во втором разместится многочисленное семейство углеводородов (их общая формула –
CH
, где m и n – целые числа).
mn
В третьем классе будет несколько химических соединений, названных
компромиссным топливом. К последнему относятся гидразин, аммиак,
метиловый, или древесный, спирт. Они не столь реакционноспособны и
идеальны, как водород, но превосходят в этом отношении углеводо-
роды. Гидразин
(N H )
24
– чрезвычайно сильный восстановитель. Тер-
модинамическое значение ЭДС практически близко к 1,28 В. К сожалению, гидразин очень дорог: в 15…20 раз дороже водорода и к тому же
токсичен. Гидразин как топливо нашел применение для специальных
целей.
Аммиак
(NH )
3
также может «сжигаться» в топливных элементах.
Его стоимость примерно такая же, как у водорода, однако он уступает
последнему в реакционной способности. Аммиак синтезируется из
азота воздуха и водорода, идет на приготовление жидких удобрений
и служит рабочим веществом холодильных машин. Древесный спирт
метанол
(CH OH)
имеет те же недостатки, что и аммиак.
3
Детальное электрохимическое исследование показало, что револю-
цию в энергетике эти вещества не совершат.
Газы: метан
(C H ),
26
бутан
декан
10 22
(CH ),
(C H )
410
.(C )H
Указанные вещества можно «сжечь» полностью – до
ацетилен
4
… ; жидкости: гексан
(C H ),
22
этилен
(C H ),
614
(C H ),
24
октан
этан
(C H ),
818
углекислого газа. В этом случае требуются новые катализаторы – дешевые и высокоэффективные.
В топливных элементах свободная энергия процесса генерирования
тока теоретически может быть полностью превращена в электрическую,
а КПД, рассчитанный по отношению к изменению полной энергии, достигает более 80 % (табл. 2.1).
С точки зрения электрохимии
простейшим из топливных элементов
является водород-кислородный элемент. В нем в электрическую энергию превращается та часть химической энергии, освобождающаяся при
окислении водорода, которая может быть превращена в работу. В этом
22
процессе полная освобождающаяся энергия, рассчитанная на один моль
жидкой воды, составляет 68,3 ккал, из которой 56,7 ккал приходится на
долю свободной энергии, а 11,6 ккал превращается в тепло даже при
обратимом протекании процесса. Следовательно, в самом благоприятном случае только 83 % освобождающейся в этой реакции химической
энергии может превратиться в электрическую. Если продуктом является
вода, а водяной пар, то в оптимальном случае в электрическую энер-
не
гию превращается 94 % общей энергии.
Таблица 2.1
Изменение полной энергии (теплота реакции свободной энергии и ЭДС
для некоторых основных топливных элементов (при комнатной темпе ратуре))
Процесс генерирования тока
Изменение полной энергии,
ккал/моль
Изменение свободной энергии,
ккал/моль
ЭДС, В
Теоретически рассчитанная
Теоретический КПД,
рассчитанный по изменению
общей энергии, %
H1/2O HO(жидк.)
222
H1/2O HO(пар)
222
С OCO
22
СO1/2O CO
СH2O CO2HO
42 22
22
–68,3 –56,7 1,23 83
–57,8 –54,6 1,18 94
–94 –94,2 1,02 100
–67,6 –61,4 1,33 91
–212,8 –195,6 1,05 92
Конструкции различных топливных элементов приведены в учеб-
ном пособии «Преобразователи энергии» [1].
23
2.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Известно, что при разомкнутой внешней цепи топливного элемента
стрелка вольтметра фиксирует наличие ЭДС элемента, имеющей величину Е. При замкнутой внешней цепи и наличии в ней тока между электродами устанавливается определенная разность потенциалов, называемая напряжением. Если во время работы топливного элемента производить изменение силы тока в цепи и
следить за показаниями вольтметра,
то можно заметить, что при возрастании тока напряжение будет уменьшаться.
Зависимость напряжения от тока или плотности тока называется
вольт-амперной характеристикой элемента. Под плотностью тока понимают отношение силы тока к активной поверхности электрода, т. е.
к той части поверхности, которая участвует в электрохимическом процессе. Плотность тока обычно измеряют в мА/см2.
На рис. 2.3 показана типичная вольт-амперная характеристика топливного элемента.
Рис. 2.3. Характеристика топливного элемента:
1 – вольт-амперная характеристика; 2 – зависимость
мощности топливного элемента от плотности тока
Конечно, для конкретного элемента вид этой характеристики будет
свой, зависящий от целого ряда индивидуальных факторов. Линия,
24
изображенная пунктиром, соответствует максимальной величине ЭДС
Е
Е
Е
Е
E
, рассчитанной с помощью термодинамики.
0
Теперь остановимся на причинах, приводящих к различию между
напряжением на клеммах и ЭДС. Для этого рассмотрим вольт-амперную характеристику в виде
,UEE Ir
(2.11)
п
где Е – ЭДС, измеренная на клеммах элемента при разомкнутой внешней цепи, В;
– поляризация элементов, В; r – внутреннее сопротив-
п
ление топливного элемента, оказываемое проходящему току I (А) в основном в межэлектродном пространстве, Ом.
Поляризация элемента
обусловлена потерями на катоде и аноде.
п
Из вольт-амперной характеристики невозможно определить распределение поляризационных потерь по электродам. Эти вопросы находятся
в компетенции ученых, разрабатывающих элементы. Они отдельно снимают поляризационные характеристики для катода и анода и, оценивая
вклад каждого электрода в поляризационные потери, намечают пути
улучшения характеристик топливного элемента.
Отношение поляризации
к силе тока в цепи I характеризует со-
п
противление поляризации:
п
rI
п
.
(2.12)
Таким образом, общее внутреннее сопротивление элемента склады-
r
вается из омического r и поляризационного
rrr
вп
. Величина его и определяет угол наклона вольт-амперной ха-
сопротивлений:
п
рактеристики или, как иногда говорят, ее жесткость.
Рассмотрим, от чего зависит поляризация электродов, которая подразделяется на электрохимическую, омическую и концентрационную.
Электрохимическая поляризация возникает при малых плотностях
тока. Считается, что она обусловлена замедлением протекания отдельных промежуточных реакций, из которых состоит
окислительно-восстановительная реакция, из-за образования новых химических связей.
Для начала реакции, как мы уже знаем, молекулы должны располагать
25
определенным запасом энергии, чтобы преодолеть энергетический
барьер. Если применить катализаторы на электродах, то понизится энергетический барьер, увеличится скорость протекания процесса и уменьшится электрохимическая поляризация.
Омическая поляризация проявляется при прохождении тока и обусловлена увеличением удельного сопротивления электролита на поверхности электродов. Этот вид потерь уменьшается с возрастанием
концентрации электролита
(или топливно-электролитной смеси) и его
температуры.
Концентрационная поляризация обусловлена уменьшением концентрации реагирующих веществ и, естественно, может быть ликвидирована улучшением условий подвода топлива и окислителя к электродам
и вывода продуктов реакции из топливного элемента.
Нельзя не сказать о влиянии температуры на напряжение топливного элемента. Как мы уже
знаем, энергия активации, или высота
энергетического барьера, является важным показателем скорости реакции. В соответствии с современными представлениями о кинетике
химических реакций, чем выше энергетический барьер, тем больше
температура влияет на скорость реакции. Следовательно, если увеличить температуру в топливном элементе, то произойдет ускорение
реакции, снижение электрохимической поляризации и увеличение
напряжения
.
Наряду с этим в теплых водных растворах топлив и электролитов
подвижность ионов (носителей тока) становится выше, чем в холодных.
Поэтому при увеличении температуры удельное сопротивление электропроводящих жидкостей будет уменьшаться, понижая омические потери в топливном элементе. Таким образом, сочетание двух отмеченных
обстоятельств не может не привести к некоторому возрастанию
напря-
жения.
Вопрос заключается в том, какое значение имеет температурный коэффициент напряжения, т. е. как изменяется напряжение в вольтах при
изменении температуры на один градус.
Зависимость между скоростью реакции, энергией активации и температурой носит сложный характер, поэтому часто появляется необходимость в экспериментальном определении температурного коэффициента напряжения.
, при увеличении тока в цепи возрастает разница между ЭДС
Итак
и напряжением. КПД по напряжению
учитывает необратимость,
U
26
связанную с потерей части ЭДС, рассчитанной для данного идеального
E
процесса, т. е.
U
(2.13)
U
,
где U – напряжение, соответствующее заданной плотности тока, В;
Е – теоретическая ЭДС элемента, В.
До сих пор мы считали, что в элементе при его работе расходуется
количество активного вещества, соответствующее уравнению токообразующей реакции. Однако в реальных условиях от каждого моля вещества получается не расчетное количество электричества q, обусловлен-
законом Фарадея, а меньшее, действительное
ное
, вследствие потерь
q
д
активных веществ.
Потери активных веществ в элементе оцениваются с помощью коэффициента, названного фарадеевским КПД, или КПД по току:
q
д
Значения эффективного КПД различных источников электроэнергии
F
.
(2.14)
q
Таблица 2.2
Тип источника электроэнергии
Электрохимический генератор 0,3…0,7 0,8…0,9
Дизель-генератор 0,25 0,35
Паротурбогенератор 0,30 0,40
Газотурбогенератор 0,18 0,25
Ядерный турбогенератор 0,25 –
МГД-генератор 0,60 0,70
Термоэлектрический генератор 0,10 0,20
Термоионный генератор 0,22 0,32
Достигнутый
КПД
27
Перспективный
КПД
Чем меньше потери реагентов на дополнительные, непредусмотренные
химические реакции, которые могут появляться на электродах и между
ними, и, следовательно, чем меньше количество дополнительных продуктов реакции, тем выше становится КПД по току. Произведение ко-
эффициентов
характеризует степень необратимости реального
FU
процесса.
Энергетические возможности реального процесса в топливном элементе, характеризующиеся отношением полученной работы к количеству располагаемой химической энергии, определяются с помощью эффективного КПД топливного элемента:
эфф т FU
Для сравнения в табл. 2.2 приведены значения
. (2.15)
эфф
источников электроэнергии.
для различных
28
3. ТЕХНОЛОГИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
Все технологии преобразования тепловой энергии в электрическую
энергию можно разделить на технологии непосредственного преобразования и технологии, использующие промежуточный вид энергии.
В основе одной из технологий непосредственного преобразования
тепловой энергии в электрическую энергию лежит использование термоэлектрического эффекта. Преобразователи, разработанные на основе
этой технологии, называются термоэлектрическими генераторами
(ТЭГ).
В основе
тепловой энергии в электрическую энергию лежит термоэлектронная
эмиссия. На их базе разработаны термоэмиссионные преобразователи
(ТЭП). ТЭП – это вакуумное или газонаполненное устройство с двумя
изолированными между собой электродами, предназначенное для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую [13].
В настоящем учебном пособии технологии на основе термоэлектронной
эмиссии не
В основе третьей технологии непосредственного преобразования
тепловой энергии в электрическую энергию лежит использование движения сплошной электропроводящей среды в сплошном магнитном
поле. Преобразователи, разработанные на основе этой технологии,
называются магнитогидродинамическими генераторами (МГДГ). В основе – известные электродинамические эффекты: электромагнитная индукция, электромагнитное силовое взаимодействие, эффект Холла.
МГДГ можно определить как
в виде аналога электропроводящей среды. В то же время они обладают
других технологий непосредственного преобразования
рассматриваются.
электрические машины с якорной зоной
29
рядом специфических особенностей по сравнению с обычными электрическими машинами.
Следующий класс технологий – это технологии, использующие промежуточный вид энергии. На всех работающих тепловых электрических
станциях (ТЭС) и газотурбинных электростанциях (ГТЭС) тепловая
энергия водяного пара или сгоревшего топлива соответственно сначала
превращается в механическую энергию вращения вала турбины и генератора, а
только потом – в электрическую энергию. Технологии, основанные на сжигании природных энергетических ресурсов, в настоящее
время активно используются на большинстве электрических станций
России. В нашем учебном пособии этот класс технологий не рассматривается.
3.2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
ЗА СЧЕТ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Термоэлектрический эффект был открыт Зеебеком в 1822 году.
В равномерно нагретой пластине термоэлектрического материала положительные и отрицательные заряды распределены равномерно.
При нагревании одной поверхности положительно заряженные ионы
остаются неподвижными (атомы решетки металла), а отрицательно заряженные устремляются к более холодной поверхности, тем самым создается разность потенциалов между нагретой и холодной
частью пла-
стины.
В металле электропроводность обеспечивается свободными электронами, которые образуют вырожденный газ, по ряду признаков аналогичный жидкости. Концентрация свободных электронов в металле составляет величину равную 6 ∙ 10
бодных электронов (6 ∙ 10
24
27
в 1 см3. В полупроводнике мало сво-
в 1 см3) и они движутся по кристаллу полу-
проводника как идеальный газ.
Когда кристалл нагревается, то все большее количество электронов,
получив вследствие нагрева достаточную энергию, уходит от исходных
атомов и движется по решетке. В результате и образуется движущийся
электрон и «дырка».
На рис. 3.1 показана принципиальная схема последовательно соединенных полупроводниковых элементов
n- и p-типов, которые могут слу-
жить источником электроэнергии.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]