Аналіз можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії

Аналіз можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії

ЗМІСТ

Перелік скорочень

Вступ

1. Загальна характеристика системи автономного електропостачання

2. Будова і склад електрохімічного генератора

3. Аналіз робочого процесу паливних елементів

4. Системи електрохімічних генераторів

5. Технологічні схеми електрохімічних агрегатів

5.1. Стаціонарний аміачно-повітряний електрохімічний агрегат

5.2. Пересувний метанольно-повітряний електрохімічний агрегат

5.3. Стаціонарний вуглецеводяний - повітряний електрохімічний агрегат

5.4. Пресувний вуглецеводяно-повітряний електрохімічний агрегат

5.5. Пересувний вуглецеводяно-повітряний електрохімічний агрегат, заснований на термічному розкладанні пального

6. Вибір можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії

6.1. Захист електрохімічних генераторів від струму короткого замикання і перенавантаження

6.2. Стан розробки електрохімічних генераторів за кордоном

Висновки

Список використаних джерел

ВСТУП

Серед важливіших проблем енергетики особливе місце займають проблеми безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. Електрохімічні генератори суттєво відрізняються від інших перетворювачів енергії, тому що енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію, минаючи проміжну стадію перетворення її в теплоту. Тому ККД сучасних ЕХГ досягає 70-80%. Основною складовою частиною ЕХГ є паливний елемент. Для одержання необхідних значень напруги і струму паливні елементи об'єднуються у батареї.

Електрохімічний генератор становить з себе джерело енергії, яке складається з батареї паливних елементів і систем, які забезпечують її нормальне функціонування при зміні навантаження і зовнішніх умов експлуатації.

Відома значна кількість різних типів паливних елементів. Вони розподіляються по роду палива і стану електроліту, температур і тиску робочого процесу і виду електродів. На цей час достатньо розроблені і знаходять застосування в основному водень-кисневі паливні елементи з пористими електродами (лужний електроліт) або з іонообмінними (кислий електроліт).

Для використання в космічній енергетиці більш за все розроблені водень-кисневі низько- і середнє температурні паливні елементи з лужним електролітом і іонообмінними мембранами.

Основними вузлами технологічних схем ЕХА є генератори водню, що забезпечують отримання водню із вказаних ісходних горючих, та електрохімічні генератори (ЕХГ). У будь-якому виконанні ЕХА передбачається використання водяно-повітряного низькотемпературного ЕХГ зі щелочним електролітом. Для досягнення мети роботи необхідно розглянути технологічні схеми з припущенням щодо використання стаціонарних ЕХА, як резервних джерел енергії, пересувні - як резервні.

1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМИ АВТОНОМНОГО

ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ

Відповідно до нормативних документів всі електроприймачі за надійністю і безперебійністю електропостачання підрозділяються на три категорії. До першої категорії прийнято відносити ті електроприймачі, порушення електропостачання яких може викликати небезпека для життя людей, значний збиток народному господарству, викликаний ушкодженням устаткування, масовим браком продукції чи розладом складних важковідновлювальних технологічних процесів, а також порушенням режиму роботи особливо важливих об'єктів, в тому числі військових. Електроприймачі першої категорії у свою чергу розділяються на двох груп: групу ІA і групу ІB. До електроприймачів групи ІA відносяться такі електроприймачі, перерва в електропостачанні яких не допустимо, тому що створює особливу небезпеку для життя людей і завдає шкоди державним інтересам. Електроприймачі групи ІA, як правило, особливо чуттєві до якості електроенергії. До електроприймачів групи ІB відносяться такі електроприймачі, що допускають короткочасний (на десяті частки секунди) переривши в електропостачанні. Електроприймачі групи ІB у меншому ступені, чим електроприймачі групи ІA, чуттєві до якості електроенергії.

До другої категорії відносяться електроприймачі, перерва в електропостачанні яких спричиняє масовий недовипуск продукції, простий робітників, устаткування, промислового транспорту, порушення нормальної життєдіяльності людей. Електроприймачі другої категорії допускають перерва в електропостачанні на час автоматичного включення резервних джерел живлення. До третьої категорії відносяться інші електроприймачі, що не підходять під визначення першої і другої категорій. Електроприймачі третьої категорії допускають перерви в електропостачанні на час, необхідне для чи ремонту заміни несправного устаткування, але не більш однієї доби.

У складі споживачів електричної енергії різних об'єктів є електроприймачі всіх трьох категорій. Забезпечення їхньою електроенергією здійснюється системою електропостачання, яку можна представити системи, що складається із системи зовнішнього електропостачання, внутрішнього електропостачання і системи автономного електропостачання. Система зовнішнього електропостачання забезпечує прийом електричної енергії від держенергосистеми і передачу її через системи внутрішнього й автономного електропостачання до електроприймачів об'єкта для їхнього тривалого живлення. Система внутрішнього електропостачання здійснює прийом, виробництво і розподіл електроенергії між електроприймачами споруджень об'єкта. Розподіл електроенергії усередині найбільше відповідальних споруджень об'єкта здійснюється системою автономного електропостачання. Як правило, основними електроприймачами системи автономного електропостачання є електроприймачі першої категорії. Ці електроприймачі вимагають організувати своє електропостачання від двох незалежних джерел, тобто таких джерел, один із яких зберігає свою працездатність при ушкодженнях і аваріях іншого джерела. Одним з таких джерел є держенергосистема, іншим резервним джерелом може служити дизель-електричні, газо та паротурбінні, атомні й інші електричні станції, а також електрохімічні генератори.

На рис. 1.1. наведений один з можливих варіантів структурної схеми системи автономного електропостачання, що містить основний (ОД) і резервний (РД) джерела, та комутаційну апаратуру, представлену автоматичними вимикачами QF1 - QF5. Далі позначено розподільні пристрої РП1 і РП2, перетворювач (ПЕ) і накопичувач (НЕ) енергії. У розглянутому варіанті системи автономного електропостачання в якості основного джерела в переважній більшості випадків використовується держенергосистема, а в якості резервного джерела застосовується електрохімічний генератор. Застосування ЕXГ у порівнянні з дизель-електричними станціями (ДЕС) з газотурбінними установками (ГТУ), радіоізотопними термоелектричними генераторами (РІТЕГ), ядерними енергетичними установками (ЯЕУ) з термоелектричними (ТЕЛП) і термоемісійними (ТЕМП) перетворювачами обумовлено їх кращими техніко-економічними показниками (табл. 1.2).

Таблиця 1.2

Характеристики основних накопичувачів енергії

№ з/п	Типи накопичувачів	ККД, %	Виділяєма енергія, кВт ч/м3	Виділяєма потужність, Вт/кг	Виділяєма енергоємність, кДж/кг	Довговічність при глибині розряду
1	Інерційні	90	60-150	>104	10-60000	>105
2	Свинцево-кислотні	75	30-60	500	64	300-500
	Нікель-кадмієві	75	70-100	200	110	1000-3000
	Окиснювально-відновлювальні	75	15-60	-	-	-
	Літієві	75-80	40-1000	-	-	10 років
3	ГАЕС	75	300-500	>104	28	-
4	Молекулярні накопичувачі енергії	95	0.2	104	1-10	104-106
5	Накопичувачі тепла	30	600	-	-	-
6	Термоелектричні генератори	10	30	50	-	-
7	ЕХГ	10	500-1000	500-1000	70-104	5000

2. БУДОВА І СКЛАД ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ГЕНЕРАТОРА

Серед важливіших проблем енергетики особливе місце займають проблеми безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. ЕХГ суттєво відрізняються від інших перетворювачів енергії, тому що енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію, минаючи проміжну стадію перетворення її в теплоту. Тому ККД сучасних ЕХГ досягає 70-80%. Основною складовою частиною ЕХГ є паливний елемент. Для одержання необхідних значень напруги і струму паливні елементи об'єднуються у батареї.

На цей час достатньо розроблені і знаходять застосування в основному водень кисневі паливні елементи з пористими електродами (лужний електроліт) або з іонообмінними (кислий електроліт).

Паливні елементи першого типу (рис.2.1) мають два електрода, простір між якими заповнений електролітом. До одного електрода (анода) подається газоподібний водень, а до другого (катода) - кисень. Позитивні іони водню переходять у розчин і анод заряджається негативним зарядом. Внаслідок дії електростатичного притягання між негативно зарядженим анодом і позитивно зарядженими іонами водню на поверхні розділу електрод-розчин виникає подвійний електричний шар, позитивна сторона якого знаходиться у розчині, а негативна - у металі. Різниця потенціалів між сторонами називається електродним потенціалом. Навколо катода також виникає подвійний електричний шар, тому що негативно зарядженні іони кисню утримуються позитивно зарядженим катодом. При підключенні споживача збиток електронів з анода починає переходити до катоду, здійснюючи корисну роботу в зовнішньому ланцюгу. Коли щезнуть збиточні електрони, іони водню почнуть переходити у глиб розчину.

Рис. Схема паливного елемента

Порушення рівноваги між атомами і іонами палива приведе до виникнення нових іонів і електронів. Безперервний процес іонізації окислювача забезпечується переходом електронів до катоду.

Таким чином, в паливних елементах реакція йде не між атомами і молекулами, а між іонами. Етапи реакції:

1. Під впливом каталітичних властивостей анода молекули водню розпадаються на атоми і іонізуються з утворенням іонів і електронів

.

2. Електрони через споживач енергії переходять на катод, де створюються негативні іони кисню

.

3. Іони кисню переходять у розчин електроліту і створюють іони гідроксилу

.

4. Іони гідроксилу переміщуються у розчині електроліту від катода до анода і створюється кінцевий продукт реакції - вода

.

Для того, щоб не знижалася концентрація електроліту, необхідно постійно відводити воду.

Схема паливного елемента з іонообмінною мембраною приведена на рис.2.2. В такому елементі газові простори поділені мембраною, яка пропускає іони водню, але не пропускає молекули кисню і гідроксильні групи „ОН”.

Рис. Схема паливного елемента з іонообмінною мембраною

Між поверхнею мембрани і пористими токозйомниками нанесений шар каталізатора, тобто іонообмінна мембрана виконує роль твердого електроліту. При „кислотній” мембрані вода створюється на стороні окислювача і виводиться спеціальними пристроями.

Таким чином, процес генерування енергії в паливних елементах описується, як процес обміну електронами між паливом і окислювачем з утворенням нового хімічного сполучення.

3 АНАЛІЗ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Відповідно з першим законом термодинаміки, щодо хімічних реакцій, змінювання повної внутрішньої енергії системи Un дорівнюється теплоті хімічної реакції Q і здійсненої при цьому роботі L

Un=Q+L . (3.1)

Під повною внутрішньою енергією розуміють суму фізичної Uф і хімічної Qx її частин

Un=Uф+Ux . (3.2)

Фізична частина повної внутрішньої енергії складається з кінетичної енергії поступового і обертального хаотичного руху молекул і залежить від температури тіла, а її хімічна частина становить з себе енергію молекулярних зв'язків, від температури не залежить і змінюється тільки при зміні хімічного складу робочого тіла.

Сумарна робота L хімічної реакції з механічної роботи Lmеx стиснення або розширення продуктів реакції і роботи, яка здійснюється проти електричних, магнітних і інших сил

L= Lmеx+Lел . (3.3)

Тому як тиск і температура реакції, яка йде в паливному елементі, практично постійні (ізобарно-ізотермічний процес), то механічна робота може здійснюватися тільки за рахунок зміни кількості молей в реакції

, (3.4)

де Z - кількість молей речовини;

А - хімічний символ речовини.

Для такої реакції можливо записати в загальному вигляді вирази для механічної роботи Lмех і для змінювання повної внутрішньої енергії

; (3.5)

. (3.6)

Враховуючи ці вирази, можливо рівняння першого закону термодинаміки записати у виді

, (3.7)

де Іі=Uі+PіVі - повна ентальпія речовини, яка становить з себе суму повної внутрішньої енергії і енергії тиску при даному стані системи.

Враховуючи вирази (3.5 і 3.6 ) можливо ефективний ККД представити у вигляді

, (3.8)

де - ККД ідеального паливного елемента;

- ККД по напрузі;

- ККД по струму.

В загальному випадку ідеальний ККД паливного елемента може бути більш, менш або рівнятися одиниці.

Звичайно температура паливного елемента підтримується вище ніж температура навколишнього середовища (80-90С) і ід<1.

Фізична сутність того, що ід>1, становить з себе те, що в паливному елементі в електричну енергію перетворюється не тільки хімічна енергія реагентів, але й частина теплоти навколишнього середовища.

ККД по напрузі u на режимах близьких до холостого ходу досягає значень близьких одиниці, а по мірі навантаження зменшується.

Він характеризує значення поляризаційних втрат, тобто падіння напруги на виході з паливного елемента через внутрішній опір.

ККД по струму досягає значень 0,95-0,98 і характеризує ефективність використання реагентів в паливному елементі, тобто зменшення струму із-за нерівності хімічних процесів.

Таким чином, ефективний ККД

. (3.9)

Для сучасних паливних елементів (в яких паливо - водень, а окислювач - кисень) значення ефективного ККД досягає 60-70%.

Таким чином, робота електричних сил Lел в залежності від знака теплоти може бути менш, більш або дорівнюватися повній ентальпії у реакції

. (3.10)

Теоретично робота електричних сил дорівнюється добутку ЕРС на перенесений заряд

Lел = Е е n No = Е n Ф, (3.11)

де е =1,602 10-19 Кл - заряд електрона;

No=6,02 1026 І/моль - число Авогадро;

n - кількість електронів, яка звільняється при іонізації атома (валентність);

Ф=96,5106 Кл/моль - число Фарадея, тобто кількість електроенергії, перенесеної при проходженні одного моля речовини.

В дійсному процесі паливного елемента на аноді іонізуються тільки ті атоми, у яких кінетична енергія більш роботи іонізації, тобто N<N0. Із-за неповної іонізації палива і внутрішнього падіння напруги робота електричних сил буде менш ніж в ідеальному процесі

. (3.12)

Ефективним ККД паливного елемента називається відношення роботи електричних сил в дійсному процесі до змінення повної ентальпії в хімічній реакції

. (3.13)

4. СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОХІМІЧНИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Електрохімічний генератор становить з себе джерело енергії, яке складається з батареї паливних елементів і систем, які забезпечують її нормальне функціонування при зміні навантаження і зовнішніх умов експлуатації.

На цей час відома значна кількість різних типів паливних елементів. Вони розподіляються по роду палива і стану електроліту, температур і тиску робочого процесу, виду електродів і інше:

- газоподібне, рідинне чи тверде пальне (наприклад, водень, гідразін, вуглець, алюміній); газоподібні чи рідинні окислювачі (наприклад, кисень, перекис водню, азотна кислота);

- кислотні, лужні, рідинні чи тверді електроліти, елементи з газообмінними мембранами;

- низькотемпературні (tp<=100-150С), середньотемпературні (tp=200-300С) а також високотемпературні (tp>300С).

Для використання в космічній енергетиці більш за все розроблені водень-кисневі низько- і середнє температурні паливні елементи з лужним електролітом і іонообмінними мембранами.

Головне призначення електродів складається з забезпечення протікання електрохімічної реакції на межі поділу трьох фаз: твердого тіла (матеріал електроду неприйма участі в реакції), рідини (електроліт) і газу (компоненти H2 і О2).

Для прискорення швидкості реакції в матеріал електроду добавляють каталізатори (срібло, платину, паладій) До важливіших функцій каталізатора відносяться хемосорбція реагентів на поверхні електродів, ініційовання реакцій на межі поділу фаз за рахунок розщеплення адсорбованих молекул на атоми, зниження енергії іонізації. Крім того каталізатор повинен мати високу електронну провідність, а також сумісність з електролітом.

В паливних елементах з газовим паливом найбільше розповсюдження мають трьохфазні електроди, які являють собою пористі тіла у вигляді диска, циліндра, пластини та інше. Діаметр пор коливається від одиниць до десятків мкм, а товщина пластини 1 - 3 мм.

Тому як в електроліті містяться гідроксильні групи (ОН), то утворення води відбувається на аноді безпосередньо на межі поділу газ-рідина. Вода може розбавляти електроліт або випаровуватися.

Практично газодифузійні електроди виготовляють шляхом спікання порошкових матеріалів. Вони мають пори різного діаметра, при цьому доцільно з боку електроліту мати пористу структуру („запорний” шар) з діаметром пор до 2-3 мкм, а з боку газа - грубу структуру („робочий” шар) з діаметром пор 20-30 мкм. Для одержання необхідних потужностей послідовно поєднують декілька паливних лементів.

Страницы: 1, 2