Файл: Коровин, Н. В. Электрохимические генераторы.pdf

Более дешевым способом отделения водорода от других газов

абсорбцией ССЬ при низкой температуре и десорбцией при высокой температуре.

В качестве основных поглотителей СО. применяют диэтанол­ амин. триэтаноламин, дпметилглицпп. Для ускорения разделения водорода от СО-: предложена центрифуга [Л. 122], благодаря кото­ рой. с одной стороны, улучшается контакт жидкости с газом, с дру­ гой стороны, облегчается разделение легкого БЬ от тяжелого рас­ твора ССЬ и амина.

.Менее разработанным, по очень перспективным является метод сепарации с помощью молекулярных сит, избирательно поглощаю­ щих те или иные молекулы. Однако необходимы специальные рабо­ ты по подбору таких сит.

Вредной примесью, входящей в состав газа после конверсии, является окись углерода, так как она является ядом для многих катализаторов, в том числе и для палладия, а соответственно и палладиево-серебряной мембраны. Окись углерода не поглощается аминами при удалении С 02 н соответственно не выводится из смеси.

Окись углерода может быть удалена из смеси газов с помощью реакции метанпзаиии

.С 0 + ЗІ-Ь=СНі + Н;0

либо дополнительной конверсией при низкой температуре С0 + Н ;0 = С 02-Н-І2.

в) Электрохимические генераторы с конверсией метанола

Во Французском институте нефти разработан ЭХГ мощностью

1G5

тиновых катализаторов, т. е. невысокая цена п невысокая стои­ мость энергии. Но при малой мощности ЭХГ с конверсией метанола

мощностью 5 кВт, напряжением 85 В. имеющий конвертор метанола

водорода мощностью 500 Вт, предназначенный для питания средств связи, радаров и других устройств.

Топливо, предварительно очищенное от серы, п обессоленная вода подаются через подогреватель в реактор, откуда продукты конверсии поступают в сепаратор с палладиево-серебряном мембра­ ной. Очищенный водород после охлаждения поступает в бата­ рею ТЭ.

При пуске система нагревается за счет сжигания топлива, при работе температура поддерживается за счет тепла ЭХГ и дожига­ ния непрореагировавших углеводородов и СО, поступающих после сепаратора. Коэффициент полезного действия генератора водорода 63%. В ЭХГ используется батарея водородно-воздушных ТЭ фирмы Пратт и Уитни с щелочным электролитом. Из воздуха предвари­ тельно удаляется СО-. Продукт реакции — вода не возвращается в генератор водорода, а сбрасывается. Охлаждение батареи воз­ душное. Суммарная масса ЭХГ 35 кг (70 кг/кВт), объем 120 л (240 л/кВт). к. п. д. около 30%, ЭХГ испытывался более 1000 ч. Как видно, масса и объем ЭХГ выше массы п объема водороднокислородных ЭХГ. Показатели ЭХГ могут быть улучшены при по­ вышении мощности. Фирма Пратт и Уитни разработала также ЭХГ мощностью 4,0 кВт, который имеет более совершенную систему контроля и управления, чем ЭХГ мощностью 500 Вт, контролирует­ ся скорость подачи водорода в ЭХГ н топлива в реактор пропор­ ционально нагрузке батареи ТЭ. Кроме того. ЭХГ имеет аккумуля­ торный бак для хранения резерва водорода. Генератор водорода снабжается водой, являющейся продуктом реакции в батарее ТЭ. В ЭХГ имеется специальный контур охлаждения, который исполь­ зуется также для подогрева системы при запуске ЭХГ. Общая мощность ЭХГ на собственные нужды, включая систему подачи воздуха, генератор водорода, систему терморегулирования, равна

ри создала для армии США ЭХГ с конверсией жидких углеводо­ родов мощностью 5 кВт [Л. 128].

166

Как и в генераторе водорода фирмы Пратт и Уитни, применя­ ется сепаратор водорода с палладиево-серебряной мембраной; к. п. д. генератора водорода 65%. максимальная производительность 4 м3/ч. В ЭХГ используется описанная ранее батарея водородновоздушных ТЭ фирмы Аллис Чалмерс мощностью 7,3 кВт. В энерго­ установку входит также инвертор, преобразующий ток постоянного напряжения 28 В в переменный ток частотой 60 Гц и напряжением

к. н. д. ЭХГ 23%, время запуска 45 мин. Эта первая установка фирмы имеет относительно высокую массу и объем. Однако спе­ циалисты фирмы считают возможным увеличить мощность на еди­ ницу объема н массы.

Как известно, имеется возможность прямого использования продуктов конверсии в батарее ТЭ без сепарации водорода. Для этого необходимо использовать ТЭ с кислым электролитом. Г. Фрейзпнгср [Л. 127] предложил ЭХГ такого типа. Продукты кон­ версии. содержащие, кроме Н2 н С 02. также СО, СГЬ, н ГЬО по­ ступают в батарею ТЭ с фосфорнокислым электролитом, работаю­ щим при І50°С. Неиспользованное топливо и воздух с водой поступают в дожигатель реактора, откуда продукты сгорания посту­ пают в конденсатор. Оценка показывает, что масса ЭХГ может быть около 45 кг/кВт. В работе [Л. 127] не сообщается о фактиче­ ских характеристиках системы и результатах испытания.

В Институте газовой технологии США разработан генератор водорода природного газа для батареи ТЭ с кислым электролитом [Л. 129]. Конверсия проводится ів три стадии. В первой стадии смесь водяного пара и природного газа реагирует на катализаторе при 800 СС, при этом продукты реакции содержат до 15% СО. После охлаждения до 270 °С смесь поступает во второй реактор, где про­ исходит конверсия СО

CO + I-UOä COo+ Ho.

После второго реактора смесь, содержащая 0,2% СО, охлажда­ ется до 190 °С и поступает в третий реактор, где происходит метанизацпя СО

с о + зг ь ^ сі-п + і-п о .

Продукты конверсии затем поступают в батарею ТЭ с кислым электролитом и электродами с платиновым катализатором. За по­

более компактны по сравнению с ЭХГ с сепарацией водорода, од­ нако они имеют существенные недостатки, свойственные ТЭ с кис­ лым электролитом: высокую потребность платиновых катализато­ ров, коррозионную активность электролита и относительно малую стабильность ТЭ. К тому же удельные мощности ТЭ, работающих па смеси водорода с другими газами, относительно мало превы­ шают удельные мощности ТЭ, работающих на углеводородах. Это в значительной степени обусловлено малой активностью воздушного электрода. Перспектива ТЭ с кислыми электролитами и ЭХГ с та-

167

кнмн ТЭ определяется в первую очередь разработкой активных катализаторов анода и катода без использования платиновых ме­ таллов.

Из изложенного выше следует, что за последние годы достиг­ нут прогресс в разработке ТЭ и ЭХГ с использованием углерод­ содержащего топлива. Топливные элементы и ЭХГ с прямым ис­ пользованием метанола и муравьиной кислоты мощностью 30— 500 Вт обеспечивают получение более дешевой энергии по сравне­ нию с гидразнновыми ТЭ и ЭХГ, однако имеют низкие удельные мощности. Достигнуты определенные успехи в создании ЭХГ с кон­ версией углеводородов и сепарацией водорода. Созданы ЭХГ мощ­

ЭХГ. Существенное увеличение к. и. д. маловероятно из-за необхо­ димости промежуточного превращения химической энергии в теп­ лоту. Более высокие к. п. д. могут быть получены в высокотемпе­ ратурных ТЭ. Полученные результаты по .разработке и изучению высокотемпературных ТЭ позволяют надеяться на создание техни­ чески приемлемых ЭХГ па основе этих ТЭ.

Глава шестая

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭХГ

36. Уровень развития ЭХГ и сравнение их с другими источниками тока

Созданы и испытаны водородно-кислородные (воз­ душные), гидразино-кислородные (воздушные), гпдразп- но-перекисьводородные, метанолы-іые, углеводородо-воз- душные электрохимические генераторы. Характеристики некоторых ЭХГ обобщены в табл. 17. Мощность ЭХГ достигает 200 кВт с удельными характеристиками 5 - 250 кг/кВт и 5—200 л/кВт, реальным к. п. д. 30—65%,

с ресурсом 1000—5 000 ч.

Сравним ЭХГ с имеющимися источниками тока, т. е. выясним их достоинства н недостатки и области приме­ нения. На рис. 43 представлены схемы преобразования различных видов энергии в электрическую энергию. Как видно, лишь при электрохимическом и фотоэлектриче­ ском способах происходит прямое преобразование энер­ гии. Во всех других способах имеются промежуточные стадии. Сравним сначала ЭХГ с другими электрохимиче­ скими источниками тока.

В табл. 18 приведены характеристики электрохими­ ческих источников тока, полученные с учетом табл. 17 и

168

нических элементов. Стоимость энергии, получаемой в гальванических элементах, значительно выше стоимо­ сти энергии, получаемой в ЭХГ. Отсюда напрашивается вывод о перспективе применения ЭХГ в области, где используются гальванические элементы. Промежуточное положение между гальваническими элементами н ЭХГ занимают металло-воздушные элементы, названные полутопливными элементами.

Удельная энергия ЭХГ значительно выше удельной энергии аккумуляторов, однако по сравнению с аккуму­ ляторами ЭХГ имеют более низкие значения удельной мощности. Поэтому ЭХГ могут.использоваться в тех об­ ластях техники, где определяющим является удельная энергия. Преимущество ЭХГ по сравнению с аккумуля­ торами особенно заметно при длительной работе (5 ч и более). Стоимость энергии, получаемой в свинцовых и нпкель-кадмневых аккумуляторах, ниже стоимости энер-

169