ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.10.2024
Просмотров: 94
Скачиваний: 0
цены имеют ориентировочный характер, так как они зависят от чистоты продукта, спроса, общего 'производ ства и изменяются по годам. Поэтому в табл. 5 цены приводятся лишь для сравнения уровня цен различных топлив. Наименьшую стоимость на единицу количества электричества имеют жидкие углеводороды, пропан, аммиак и метанол. Стоимость водорода примерно на порядок выше стоимости метанола и аммиака, еще вы ше— стоимость металлов. Стоимость гидразина на еди ницу количества электричества примерно в 4'—10 раз выше стоимости водорода. Наиболее высокую стоимость на единицу количества электричества имеют гидриды и боргидриды металлов.
Водород можно получить непосредственно в ЭХГ за счет конверсии углеводородов, метанола или разложе ния аммиака. Получение водорода требует определен ных затрат, которые зависят от чистоты получаемого водорода и мощности установки. Из-за высоких капи тальных затрат на установку для конверсии углеводо родов II разделения газов в ЭХГ малой мощности стои мость получаемого водорода высока. Поэтому в ЭХГ
малой мощности |
(500 Вт и |
ниже) |
экономически |
вы |
годнее применять такое топливо, |
как гидразин, |
так |
||
как последний |
не требует |
предварительной подго |
||
товки. |
|
|
|
|
Амортизационные отчисления на единицу энергии растут с увеличением капитальных затрат на единицу мощности ЭХГ и уменьшаются с увеличением ресурса ЭХГ. Эксплуатационные расходы определяются назна чением и устройством, в частности, системой автомати ки, ЭХГ.
В целом стоимость электроэнергии, получаемой в ЭХГ, может быть снижена при условии применения воздуха и недорогого топлива, снижения капитальных вложений на ЭХГ и, в частности, уменьшения расхода или полного устранения драгоценных металлов, увели чения ресурса и фарадеевского к. п. д. ЭХГ.
Оценки показывают, что стоимость энергии, получа емой в ЭХГ, ниже стоимости энергии, получаемой в пер вичных гальванических элементах, и выше стоимости энергии, получаемой в двигателях внутреннего сгорания. Поэтому проводятся широкие исследования по созданию дешевых катализаторов и разработке ТЭ для прямого использования углеводородов.
71
10. Оптимизация напряжения элементов в ЭХГ
Практически все параметры ЭХГ зависят от напря жения ТЭ. С уменьшением напряжения ТЭ до опреде ленных пределов снижаются масса и объем,- а также стоимость батареи на единицу энергии, но одновремен но растет расход реагентов п пх стоимость на единицу энергии, уменьшается к. и. д. ЭХГ. Поэтому существует определенное значение напряжения ТЭ, при котором масса и объем ЭХГ с реагентами, а также стоимость энергии минимальны. В некоторых частных случаях оп тимальное напряжение можно найти аналитически.
Обозначим параметр ЭХГ с реагентами (масса, объем, стоимость энергии) через Z. Параметр ЭХГ с реагентами равен сумме параметров батареи Ze, вспо могательного оборудования Zn.c и реагентов Zp:
Рассмотрим работу |
ЭХГ |
при постоянной мощности. |
В соответствии с (72) |
и (73) |
|
|
|
(89) |
где Кв — параметр батареи, |
отнесенный к единице по |
|
верхности одноименных электродов. Например, объемный параметр
Кб= (1 + ас) /э.
Для упрощения принимаем, что параметр вспомога тельного оборудования пропорционален параметру ба тареи
Параметр реагентов в соответствии с (61) — (636), (83) и (84) равен:
(90)
где Ар — параметр реагентов, отнесенный к единице ко личества электричества, полученного в ЭХГ.
Таким образом, суммарный параметр ЭХГ с реаген тами равен:
(91)
72
Принимаем, что связь между напряжением ТЭ if плотностью тока имеет линейный характер. Хотя в об щем случае вольт-амперная кривая имеет сложную фор му, однако в широкой области она может быть в пер вом .приближении линеаризована. Поэтому предположе ние о линейной связи между напряжением и плотностью тока может быть использовано для большого числа ТЭ
|
|
Up ='U(i—i’sJг, |
|
(92) |
|
где /'s— суммарное |
сопротивление |
единицы сечения ТЭ; |
|||
Uо-— напряжение |
при / г= 0 |
или |
.напряжение, |
которое |
|
получают при |
продолжении |
линейной части |
вольт- |
||
амперной кривой до / г= 0. |
|
|
|
||
Подставив / г из |
(92) в (91), .получим: |
|
|||
Z = |
|
(1 + “о.о) Кбrs |
-j- kpt J- |
|
|
|
ио - Up |
^ |
|||
|
|
^ 'vp"J |
|||
Как видно, кривая зависимости параметра Z от на пряжения ТЭ должна проходить через минимум, значе ние которого легко .найти из производной Z по напря
жению, |
равной нулю: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
U0J U 0— (ky -f- 1 — V ky + 1)//е-!у, |
|
(94) |
|||||||
где |
Uon — оптимальное |
напряжение |
ТЭ, при |
котором |
|||||||||
параметр ЭХГ минимален; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
/, |
|
____ UM____ |
|
|
(95) |
|||
|
|
|
|
|
у |
|
.ЛsKe (1 + ап.с) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Назовем |
ky — характеристикой |
установки. |
Из |
(95) |
|||||||||
видно, |
что |
она |
равна |
|
произведению характеристики |
ба |
|||||||
тареи |
и |
вспомогательного |
оборудования — =—^ -----г |
||||||||||
на характеристику реагента |
kpt. |
|
S^6(H-aB.o) |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
Как |
видно |
из |
(94) |
и рис. 5, |
|
|
|
|
|||||
при малых значениях характери |
|
|
|
|
|||||||||
стики |
установки |
ky |
напряжение |
|
|
|
|
||||||
при |
минимальном |
параметре как |
|
|
|
|
|||||||
и для батареи ТЭ равно U0/2. |
|
|
|
|
|||||||||
При |
увеличении |
характеристики |
|
|
|
|
|||||||
ky |
напряжение |
ТЭ |
при |
мини |
приведенного |
напряже |
|||||||
мальном параметре |
энергоуста |
||||||||||||
новки стремится к П0, |
т. е. при вы |
ния |
(и = и Оп іи 0) элемен |
||||||||||
та от параметра энерго |
|||||||||||||
соких |
значениях |
ky |
необходимо* |
||||||||||
установки ky. |
|
|
|||||||||||
* Аналогичное уравнение получено в [Л. 26] при несколько иных исходных предпосылках.
73
работать гфіі малых габаритных плотностях тока. С уве личением времени работы ЭХГ между заправками топли ва растет приведенное напряжение. Как видно из рис. 5 и (94) и (95), приведенное напряжение уменьшается с увеличением параметра Кб. Разность между приведен ными напряжениями при различных Кб уменьшается при увеличении времени работы ЭХГ между заправками реагентов. Приведенное напряжение растет с увеличени ем электрохимического эквивалента, отношения массы вспомогательного оборудования к массе батареи ТЭ и эф фективного внутреннего сопротивления ТЭ. Батарея ТЭ при минимальном параметре и длительной работе ЭХГ должна работать при мощности, которая ниже макси мальной мощности, так как Uon> U 0/2. Оптимальное на пряжение можно найти II для работы ЭХГ в режиме переменной мощности. Как показал анализ уравнений, в этом случае при одной и той же энергии, вырабаты ваемой ЭХГ, параметр ЭХГ в режиме переменной мощ ности выше параметра ЭХГ в режиме постоянной мощ ности, т. е. при работе в режиме переменной мощности увеличиваются объем и масса на единицу энергии и стоимость энергии.
11.Комплекс ЭХГ с батареей аккумуляторов
Кисточникам энергии в некоторых случаях предъяв ляются требования, которые не все ЭХГ могут удовле творить. К ним можно отнести необходимость быстрого запуска системы, изменения мощности в широком ин тервале при относительно малом изменении напряжения и т. п. В то же время таким требованиям могут удовле
творять аккумуляторы, которые можно запустить немед ленно и которые могут прини мать на себя большие перегруз ки. Однако в отличие от ЭХГ аккумуляторы имеют большую массу на единицу энергии и в ре жиме длительной работы суще ственно увеличивают массу всей системы. Комплекс ЭХГ и акку мулятор может иметь достоин ства ЭХГ и аккумулятора.
Вольт-амперная кривая ба тареи ТЭ обычно идет круче
вольт-амперной кривой батареи аккумуляторов (рис. 6), поэтому при малых нагрузках, когда напряжение батареи ТЭ (участок АО) будет выше напряже ния батареи аккумуляторов (участок СО), аккумулято ры могут заряжаться от батареи ТЭ. В этом случае часть энергии батареи ТЭ расходуется на зарядку акку муляторов. При высоких нагрузках (участки OD и OB) батарея аккумуляторов подключается на режим разря да, принимая на себя часть нагрузки. Благодаря нали чию батареи аккумуляторов сужаются рабочие пределы мощности батареи ТЭ, стабилизируется выходное напря жение энергоустановки, предотвращаются перегрузки батареи ТЭ и соответственно увеличивается ее ресурс. Кроме того, при наличии батареи аккумуляторов источ ник питания может быть подключен в работу мгновенно. Емкость батареи аккумуляторов определяется либо вре менем запуска батареи ТЭ, либо временем работы ЭХГ при пиковых нагрузках.
Масса комплекса ЭХГ с аккумулятором будет равна сумме масс батареи ТЭ, вспомогательного оборудова ния, реагентов и батареи аккумуляторов. Как показы вают расчеты, суммарная масса комплекса на единицу
энергии |
будет ниже массы ЭХГ на |
единицу |
энергии |
|
в случае, |
если кривая мощность-— время |
имеет |
кратко |
|
временные пики. Допустимая по условию |
минимальной |
|||
массы комплекса продолжительность |
пиковой |
нагрузки |
||
снижается с увеличением пиковой мощности. Аналогич ные выводы получены и для других параметров: объема ЭХГ п стоимости энергии.
Глава третья
ВО Д О Р О Д Н О -К И С Л О Р О Д Н Ы Е (ВОЗД УШ НЫ Е) ТЭ И ЭХГ
12. Термодинамика водородно-кислородных элементов
«в водородно-кислородном ТЭ протекает реакция
Н2-Н /202=Н 20.
Электродвижущая сила и термодинамический к. п. д. ТЭ зависят от агрегатного состояния воды. При образо вании жидкой воды э. д. с. ТЭ равна:
£ = £ ° + - Д іп;р ’/ 0і. |
ре) |
75
Таблица ß
Термодинамические данные для водородно-кислородного ТЭ
Реакция |
Параметр |
|
Температура, |
К |
|
|||
298,15 |
400 |
600 |
900 |
1 200 |
||||
|
|
|
||||||
H j + 1/ 2 0 2= Н 20 (,ц) |
Е ° , |
В |
1 ,23 |
1 .14 |
|
|
|
|
|
fir |
|
0 ,8 3 |
0 ,7 7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H 2^ l / 2 0 a= H , 0 (rj |
Е ° , |
В |
0 ,1 9 |
1,16 |
1,11 |
1,03 |
0 ,9 5 |
|
|
гІТ |
|
0 ,9 4 |
0 ,9 2 |
0 ,8 8 |
0 ,8 0 |
0 ,7 3 |
|
При образовании воды в виде пара
Е = Е ° - \ - ^ г l t A ^ |
(97) |
р -
МШ
В табл. 6 приведены значения Е° и термодинамиче ского к. и. д. для водородно-кислородного ТЭ.
Как следует из табл. 6, стандартная э. д. с. и термо динамический к. п. д. водородно-кислородного ТЭ умень шаются с увеличением температуры. Из уравнений (96) и (97) видно, что э. д. с. ТЭ растет с увеличением дав ления водорода и кислорода и с уменьшением давления паров воды.
Если вода образуется в жидком состоянии, то в рас творах с невысокой концентрацией электролита актив ность воды изменяется относительно мало, поэтому э. д. с. практически не зависит от активности электроли та. Однако в случае применения высококонцентрироваиных растворов электролитов, например концентрирован ных кислот или щелочей, следует учитывать изменение активности воды с изменением концентрации электро лита.
13. Электроокмсление водорода
Реакция электроокисления водорода в кислой среде протекает по уравнению
Н2^ 2 Н + + 2 е - £° = 0,0 В;
в щелочной среде
Н 2 + 2 0 Н - ^ 2 Н 20 + 2е- Е° = —0,83 В.
76
Равновесный потенциал водородного электрода уста навливается на 'платиновой и палладиевой чернях и ни келевом скелетном катализаторе.
Реакция электроокпслення водорода состоит из не скольких стадий: а) абсорбция раствором электролита; 'б) транспорт к электроду; в) адсорбция на электроде; г) ионизация водорода; д) удаление продуктов реакции.
Растворимость водорода в воде мала, так, при тем пературе 273 К и давлении ІО5 Па растворимость его равна 0,96 -10—0 моль/см3. Растворимость водорода уменьшается с увеличением температуры и растет с уве личением давления. В растворах электролитов раство римость водорода ниже, чем в воде, и уменьшается с увеличением концентрации электролита.
Транспорт водорода в зону реакции может осущест вляться за счет диффузии и конвекции. Если транспорт водорода к электроду в основном осуществляется за счет диффузии, то вследствие низкой растворимости водорода диффузионный ток будет мал и процесс может лимитироваться диффузией. Так как растворимость во дорода и коэффициент диффузии уменьшаются с увели чением концентрации электролита, то транспортные ограничения становятся особенно заметными в высококонцентрированных растворах электролитов.
Диффундирующий к электроду водород затем адсор бируется
|
Н2=*2Нпдс. |
Кроме того, некоторые металлы могут абсорбировать |
|
водород |
|
|
Н 25=Ь:2ІТаСІС- |
Абсорбированный |
водород может диффундировать |
в зону реакции через металл. |
|
Адсорбированный |
атом водорода затем ионизируется |
/7адс— >-Н++в~; Наде+ ОН-— П ПО 4-в~.
Скорость ионизации водорода растет с увеличением поверхностной концентрации водорода, поляризации и температуры и зависит от материала электрода и pH раствора. Поляризация водородного электрода умень шается с уменьшением плотности тока и увеличением температуры, давления водорода. Кривая зависимости поляризации от pH проходит через максимум в области рН = 7, поэтому для снижения поляризации целесообраз но использовать кислые или щелочные электролиты.
77