Üzemanyagcellák
Ezt a cikket a Google fordítón keresztül fordították le
Üzemanyagcellák Az üzemanyagcellák kémiai energiaforrások. Ezek biztosítják az üzemanyag energia közvetlen átalakulását villamos energiává, gyengén haladnak át, nagy veszteségekkel elérve az égési folyamatot. Ez az elektrokémiai eszköz a rendkívül hatékony "hideg" üzemanyag-égetés eredményeként közvetlenül áramot termel.
A biokémikusok azt találták, hogy a biológiai hidrogén-oxigén üzemanyagcellák minden élő sejtbe "beépülnek" (lásd a 2. fejezetet).
A szervezet hidrogénforrása táplálékként szolgál - zsírok, fehérjék és szénhidrátok. A gyomorban, a bélben, a sejtekben végül kitágult monomerek lesznek, amelyek viszont kémiai reakciók sora után hidrogént eredményeznek a molekulához a gazda számára.
A levegőből származó oxigén a tüdőn keresztül jut be a vérbe, kombinálódik a hemoglobinnal és a test minden szövetébe eljut. A hidrogén és az oxigén keverési folyamata a test bioenergetikai alapja. Itt enyhe körülmények között (szobahőmérsékleten, normál nyomáson, vízben) a nagy hatásfokú kémiai energia hővé, mechanikus rovarokká (izommozgás), elektromossággá (torpedó), fényvé (fénykibocsátók) alakul át.
Az az ember, akiben megismételte a természet által energiára létrehozott eszközt. Ez a tény ugyanakkor ígéretes irányokat mutat. A természetben minden folyamat nagyon racionális, ezért az üzemanyagcellák hatékony felhasználásához szükséges intézkedések reményt adnak az energia jövőjére.
A hidrogén-oxigén üzemanyagcellák 1838-ban történő megnyitása William Grove angol tudósé. Tanulmányozza a víz hidrogénre és oxigénre bontását, és mellékhatásokat talált - az elektrolizátor elektromos áramot adott.
Mi ég egy üzemanyagcellában?
A fosszilis tüzelőanyagok (szén, olaj és gáz) főleg szénből állnak. Az égő üzemanyag atomok elveszítik az elektronokat, az oxigénatomok pedig megszerzik azokat. Mivel a szén- és oxigénatomok oxidációja egyesül az égéstermékekben - a szén-dioxid molekuláiban. Ez a folyamat energikus: az égésben részt vevő atomok és molekulák nagy sebességet kapnak, és ez a hőmérséklet emelkedéséhez vezet. Kezdenek fényt bocsátani - láng jelenik meg.
A szén kémiai égési reakciója:
A kémiai energia elégetésének folyamatában hőenergiává alakul át az üzemanyagok és az oxidáló atomok közötti elektroncsere révén. Ez a csere véletlenszerűen történik.
Égés - az atomok közötti elektroncsere és az elektromos áram - Az elektronok szabadon irányítják. Ha a kémiai reakciók folyamán az elektronok működnek, az égési folyamat hőmérséklete csökken. Az üzemanyagcellákban az elektronokat egyetlen elektródon távolítják el a reagensekből, így energiájukat elektromos áram formájában feladják, a másik oldalon pedig a reagensekhez kapcsolódnak.
Bármely találat alapja - két elektróda, amelyet elektrolit köt össze. A TE egy anódból, katódból és elektrolitból áll (lásd a 2. fejezetet) . Az anódnál oxidálódnak, azaz elektronokat, reduktánsokat (CO vagy H2 üzemanyag) adnak, az anódból szabad elektronok jutnak a külső körbe, és pozitív ionok az anód-elektrolitikus határértéknél (CO +, H +) tartják. A lánc másik végén az elektronok alkalmasak a katódra, amely a redukciós reakció (oxidáló adhéziós elektron, O2-). Ezután az elektrolit oxidáló transzportionjai a katódnál.
Az üzemanyagcellákban, valamint a fizikai és kémiai rendszerek három szakaszát hozta össze:
gáz (üzemanyag, oxidálószer);
elektrolitikus (vezető Ion);
fém elektróda (elektronvezető).
Az üzemanyagcellákban egy redox-reakció során energiává alakul át villamos energiává, valamint az elektrolittal elválasztott oxidációs és térbeli redukciós folyamatokkal. A reakcióban lévő elektródok és elektrolitok nem vesznek részt, hanem az üzemanyag időtartamú szennyező anyagok valós szerkezeteiben. Az elektrokémiai égés mérsékelt hőmérsékleten és gyakorlatilag veszteség nélkül haladhat át. Ábra. A p087 olyan helyzetet mutat be, amikor az FC gázok keverékét (CO és H2) kapja meg, azaz lehetséges gáznemű tüzelőanyagok elégetése (lásd 1. fejezet). Tehát a TE "mindenevő".
Az üzemanyagcellák használatát bonyolítja, hogy üzemanyagukra az "előkészítéshez" van szükség. Hidrogén alapú üzemanyagcellák előállítása fosszilis tüzelőanyagok átalakításával vagy széngázosítással. Ezért az ET teljesítmény blokkdiagramja, mint az akkumulátor üzemanyagcellái, a DC-AC inverter (lásd a 3. fejezetet). A kiegészítő berendezések tartalmaznak hidrogéntermelő blokkot is.
Az üzemanyagcellák fejlődésének két iránya
Két TE-hatókör van: autonóm energia és magas.
Az offline használatra a főbb jellemzők és a könnyű kezelés. Az energiaköltség nem a fő mutató.
A nagyobb energiahatékonyság döntő tényező. Ezenkívül a telepítésnek tartósnak, drága anyagmentességnek és fosszilis tüzelőanyagok használatának kell lennie, minimális előkészítés mellett.
A legnagyobb előny az üzemanyagcellák használatát ígéri az autóban. Itt, mint sehol máshol, ez hatással lesz a kompakt TE-re. A villamos energia közvetlen összegyűjtése az üzemanyag-takarékosságból az utolsó 50% -os nagyságrendben.
Az üzemanyagcellák energiatermelésben való felhasználásának ötletét W. Oswald német tudós fogalmazta meg 1894-ben. Később kidolgozta azt az ötletet, hogy hatékony és hatékony energiaforrást hozzon létre az üzemanyagcellákból.
Ezt követően számos kísérletet tettek a szén aktív anyagként történő felhasználására az üzemanyagcellákban. Az 1930-as években Bauer német kutató létrehozta a szilárd elektrolit üzemanyagcellák laboratóriumi prototípusát a szén közvetlen anódos oxidációja érdekében. Ugyanakkor oxigén-hidrogén üzemanyagcellákat tanulmányozott.
1958-ban Angliában Bacon megalkotta 5 kW-os erőművek első hidrogénalapú oxigénkapacitását. De nehézkes volt a magas nyomású gázok (2,4 MPa) miatt.
1955 óta az USA K. Kordesh alacsony hőmérsékletű oxigén-hidrogén üzemanyagcellákat fejlesztett ki. Platina katalizátorokkal ellátott szénelektródákat használtak. Németországban E. Yust a neplatinovyh katalizátorok létrehozásán dolgozott.
1960 után demonstrációs és promóciós mintákat hoztak létre. Az első gyakorlati alkalmazás "Apollo" űrhajót talált az üzemanyagcellákban. Nagy erőművek voltak, amelyek fedélzeti műszereket láttak el, és az űrhajósokat vízzel és hővel látták el.
A CF-vel rendelkező autonóm rendszerek fő területei a katonai és a haditengerészeti alkalmazások voltak. Az 1960-as évek végén az üzemanyagcellás kutatások száma csökkent, a 80-as évek után pedig ismét növekedett az energiatermelés szempontjából.
A vállalat kétoldalú gazodifuzionnyh elektródák segítségével fejlesztette ki a VARTA TE-t. Az ilyen típusú elektródákat "Janus" -nak nevezik. A Siemens 90 W/kg fajlagos teljesítményű elektródákat fejlesztett ki. Az Egyesült Államokban az oxigén-hidrogén elemekkel kapcsolatos munka a United Technology Corp. tulajdonában van.
Az energia tengerében nagyon ígéretes az üzemanyagcellák alkalmazása nagyszabású energiatárolásra, például hidrogén alapú (lásd 1. §). A megújuló energiaforrások (nap- és szélenergia) eltérnek diszperzió (lásd a 4. fejezetet). Főbb felhasználásuk, amely nélkül a jövő nem tud megvalósulni, lehetetlen anélkül, hogy erős akkumulátorok ilyen vagy olyan formában tárolnák az energiát.
A relevancia felhalmozásának problémája ma: a terhesség napi és heti ingadozása jelentősen csökkenti hatékonyságukat, és m úgynevezett anevrennyh kapacitást igényel. Az elektrokémiai energiatárolás alternatívája - üzemanyagcellák elektrolizátorokkal és gáztartállyal kombinálva *.
* Tekintet [Gasholder + Eng. Birtokosa] birtokosa - nagy mennyiségű gáz befizetése.
Az üzemanyagcellák első generációja
A legnagyobb tökéletesség elérte az első generációs TE generációt, amely 200-nál dolgozik. 230 ° C folyékony tüzelőanyagokkal, földgázzal vagy hidrogénnel a * alapú. Az elektrolit technikák a foszforsav, amely kitölti a porózus szénmátrixot. A szénelektródák és a katalizátor platina (a platinát több gramm/kilowatt kapacitás mennyiségben használják).
* Műszaki hidrogén - olyan termék a fosszilis tüzelőanyagok átalakítására, amelyek kis mennyiségű szén-monoxidot tartalmaznak.
Egy ilyen áramellátást Kaliforniában 1991-ben állítottak üzembe. Tizennyolc, egyenként 18 tonna súlyú panelből áll, amelyeket a héjba helyeznek, átmérőjük valamivel nagyobb, mint 2 m és eljárási magasságuk körülbelül 5 m. Ajánlott az akkumulátor cseréjére a vázszerkezet segítségével.
Két erőmű az amerikai FCS-ben Japánban. Az elsőt 1983 elején dobták piacra. A teljesítményre vonatkozó előírások összhangban vannak a számítottakkal. Az elülső rész 25–80% -os terhelésével dolgozott. A hatékonyság elérte a 30-at. 37% - közel van a modern nagy teljesítményű állomáshoz. A hideg állapotból való indítás ideje - 4 órától 10 percig, és az energia nulláról teljesre váltásának időtartama csak 15 másodperc.
Most az Egyesült Államok különböző részein egy kis, 40 kW teljesítményű távfűtő erőmű áll, amelynek üzemanyag-felhasználása körülbelül 80%. Felmelegíthetik a vizet 130 ° C-ra, és mosókonyhákban, sporttelepeken, érintkezési pontokon stb. Helyezhetik el. Körülbelül száz egység dolgozott már több százezer órát. A környezetbarát erőművek lehetővé teszik az üzemanyagcellák számára, hogy azokat a városokban helyezzék el.
New York első, 4,5 MW kapacitású üzemanyag-állomása 1,3 ha területet foglalt el. Most, az új állomásokhoz, amelyek kapacitása a szükséges mérőtér kétszerese és félszerese, 30x60 m. Építsen több 11 MW teljesítményű demonstrációs erőművet. Elképesztő építési időszak (7 hónap) és az erőmű által elfoglalt terület (30h60 m). Új erőművek tervezett élettartama - 30 év.
És az üzemanyagcellák második generációjának harmadik része
A legjobb tulajdonságokat a második generációs közepes hőmérsékletű üzemanyagcellák 5 MW-os moduláris egységei tervezték. 650 hőmérsékleten működnek. Ezek az anódok zsugorított nikkel- és krómrészecskékből, szinterelt és oxidált katódokból - alumíniumból készülnek, az elektrolit pedig lítium és kálium-karbonát megolvadt keveréke. A láz két fő elektrokémiai probléma megoldását segíti elő:
redukálja az "otravlyaemost" katalizátort szén-monoxiddal;
javítsa az oxidálószer helyreállítási folyamatát a katódnál.
Még jobb lenne az üzemanyagcellák magas hőmérsékleten a harmadik generáció szilárd oxid elektrolit (főleg cirkónium-dioxid). üzemi hőmérséklet - 1000 ° C-ig. Az üzemanyagcellákkal rendelkező erőművek hatékonysága megközelíti az 50% -ot. Itt megfelelő és szilárd tüzelőanyagként magas szén-monoxid-tartalmú széngázosító termékek. Ugyanolyan fontos, hogy a magas hőmérsékleten bekövetkező visszamaradó hő-beállítást felhasználni lehessen gőz előállítására a turbina meghajtására.
A vállalat 1958 óta alkalmaz Vestingaus szilárd oxid üzemanyagcellákat. Erőművet fejleszt 25. 200 kW, amelyet gáznemű tüzelőanyagok felhasználhatnak, szénből. Készüljön fel több megawatt kapacitású kísérleti berendezések tesztelésére. Az Engelgurd egy másik amerikai vállalata 50 kW-os üzemanyag-elemeket modellez metanolon, foszforsavval elektrolitként.
Az üzemanyagcellák létrehozása során számos vállalat vesz részt a világ minden táján. Az American United Technology és a Toshiba japán céget, az International Fuel Cells-t alapította. Európában az üzemanyagcellákat az Elenko belga-holland konzorcium foglalkoztatja, amely a Siemens, az olasz Fiat, a brit Jonson Metju tulajdonában van.