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

тает как электролизер и газы отводятся в газгольдеры. В часы «пик» установка будет работать как ТЭ, газы из газгольдеров будут подаваться к электродам. Эта уста­ новка может быть особенно эффективна при использо­ вании высокого давления газа. В последнее время созда­ ны электролизеры высокого давления, имеющие к. п. д около 85и/о- При к. п. д. ТЗ 65% суммарный к. п. д. уста­ новки будет 55%, что несколько ниже к. п. д. гидравли­ ческого способа. Однако электрохимический способ име­ ет ряд преимуществ по сравнению с гидравлическим: он не требует большого количества воды и больших пло­ щадей и может быть осуществлен на равнине. Потреб­ ность в воде и площадях составляет соответственно 2,5-— 8 м3/(кВт-ч) и 10 м2/кВт при гидравлическом способе и 1—4 л/(кВт-ч) и 0,4 м2/кВт при электрохимическом спо­

химический способ аккумулирования энергии имеет преимущество в местах, где нет гор или где мало воды.

Перспективно сочетание ТЭ с солнечными батареями. Солнечные батареи в дневное время будут отдавать часть энергии потребителю, а часть энергии на аккуму­ лирование водорода и кислорода; вечером и ночью элек­ трическая энергия может вырабатываться ТЭ. Водород­ но-кислородный ТЭ может также найти применение для аккумулирования энергии, вырабатываемой двигателями, использующими энергию ветра.

в) Совмещение ЭХГ и химического реактора

В некоторых случаях наряду с электроэнергией ЭХГ может вырабатывать и денные продукты реакции. В ка­ честве примера можно привести получение щелочи и электроэнергии в амальгамно-натриево-кислородном ЭХГ, совмещенным со ртутным электролизером [Л. 156— 158].

191

На аноде ТЭ окисляется натрий из амальгамы, полу­ ченной в электролизере:

Na (Hg) ->-Na++ H g+e~.

На катоде происходит восстановление кислорода

Оа+2Н20 + 4е--НЮ Н-

Суммарная реакция в ТЭ может быть записана в виде

4Na(Hg) + 0 H -2 H 20 = 4Na0H + Hg.

В существующих производствах разложение амальга­ мы натрия производится химическим способом, при этом химическая энергия выделяется в виде тепла. Совмеще­ ние амальгамно-натриево-кислородного ТЭ с ртут­ ным электролизером позволяет регенерировать 25—35% энергии, потребляемой в ртутном электролизере

[Л. 158].

г) Топливные элементы для медицины

Во многих научных лабораториях мира ведутся ра­ боты по созданию аппарата — искусственное сердце. Не­ обходимость таких работ не вызывает сомнений, ежегод­ но 14,6 млн. человек погибают от болезни сердца [Л. 159]. В качестве источника энергии для нскуственного сердца

ТЭ очень сложна, необходимо создать селективные и ста­ бильные анод и катод, решить проблему совместимости ТЭ с организмом, отделения кислорода от плазмы кро­ ви и т. п.

Пока еще невозможно предсказать перспективу ее реального воплощения. Авторы [Л. 159] полагают, что наиболее оптимальным будет сочетание ТЭ и акку­ мулятора.

Аккумулятор будет принимать на себя пиковые на­ грузки, а также снабжать энергией в случае выхода из строя ТЭ.

192

массы и объема ЭХГ на единицу мощности; в) увели­ чение ресурса ЭХГ.

а) Снижение стоимости ЭХГ и энергии

Широкое применение ЭХГ станет возможным, если их стоимость будет снижена примерно на порядок.

Начальная стоимость ЭХГ в значительной степени зависит от применяемых катализаторов и конструкцион­ ных материалов.

Необходимо в первую очередь решить проблему сни­ жения содержания или полной замены платиновых катализаторов. За последние годы расход платиновых металлов на единицу мощности ЭХГ снижен на 1—2 по­ рядка.

В некоторых элементах платиновые металлы не при­ меняются. Так, окисление водорода и гидразина в ще­ лочном растворе идет с достаточно высокими скоростя­ ми на модифицированном скелетном никеле и бориде никеля, а в кислом растворе — на карбиде вольфрама. К. Кордешом получены приемлемые плотности тока на угольных воздушных электродах со шиинельными ката­ лизаторами. Дальнейшие исследования могут привести к открытию новых эффективных и недорогих катализа­ торов.

Заслуживают внимания исследователей катализаторы на основе металлоорганических соединений, окисных и других полупроводников, многокомпонентные сплавы и химические соединения.

Снижение стоимости ЭХГ может быть достигнуто так­ же снижением расхода на единицу мощности дорогих компонентов электродов: никеля, фторопласта и др., а также дорогих конструкционных материалов. В послед­ ние годы было показано, что имеется возможность сни­ зить расход материалов электродов в несколько раз за счет снижения толщины электродов. Стоимость ЭХГ за­ висит такжё от масштабов производства. С увеличением

масштабов производства значительно снизится стои­ мость электродов, батареи ТЭ, а также вспомогательных систем.

Стоимость вырабатываемой энергии определяется на­ чальной стоимостью ЭХГ, стоимостью эксплуатации и ценой реагентов. Обслуживание ЭХГ может быть сведе­

гентах.

Наиболее дешевым видом топлива являются природ­ ный газ, нефть и нефтепродукты. Одним из наиболее пер­ спективных путей использования природного газа и неф­ тепродуктов в ЭХГ является применение конверсии. Однако для создания ЭХГ с конверсией углеводородов необходима разработка компактных и дешевых конвер­ сионных установок и дешевых способов отделения водо­ рода.

Способы и катализаторы конверсии к настоящему времени хорошо разработаны. Предстоят опытно-конст­ рукторские работы по аппаратурному оформлению про­ цесса конверсии в компактных установках. Менее раз­

палладий дорог. Имеется принципиальная возможность отделения водорода с помощью молекулярных сит, одна­ ко предстоят еще большие исследования в этом направ­ лении.

Весьма перспективным направлением по использова­ нию дешевых углеводородов является разработка ЭХГ с высокотемпературными ТЭ. За последние годы достиг­ нуты существенные успехи в этом направлении: разра­ ботаны материалы электродов, более дешевая техноло­

увеличен срок службы ТЭ.

На пути прямого использования углеводородов в вы­ сокотемпературных ТЭ стоит еще много нерешенных во­ просов, в основном инженерного характера. Однако про­ блемы в принципе могут быть решены, поэтому есть основания полагать, что в будущем ЭХГ с использовани­ ем природного газа и нефтепродуктов найдут широкое применение.

194

б) Снижение массы и объема ЭХГ на единицу мощности

Масса и объем ЭХГ определяются как параметрами ТЭ, так и параметрами вспомогательных систем. Удель­

уменьшением толщины ТЭ, увеличением каталитической активности электродов, созданием оптимальной структу­ ры электродов и решением задач отвода тепла и продук­ тов реакции.

Масса вспомогательных систем составляет примерно половину массы ЭХГ. До сих пор для ЭХГ обычно использовались существующие типы насосов, вентилято­ ров, воздуходувок, радиаторов и т. д. Такие установки не всегда были оптимальными, поэтому имеется возмож­ ность снижения массы и объема вспомогательных си­ стем ЭХГ.

Для этого необходимо проведение специальных опыт­ но-конструкторских работ. Полагая, что массу и объем вспомогательных систем удастся сократить по крайней мере в 2 раза, можно рассчитывать, что в ближайшие 5— 10 лет масса и объем ЭХГ на единицу мощности до­ стигнут значений 5— 15 кг/кВт и 2—20 л/кВт.

в) Увеличение ресурса ЭХГ

Ресурс ЭХГ определяется ресурсом батареи ТЭ и вспомогательных систем. Топливный элемент, являясь статическим преобразователем энергии, не имеет движу­ щихся частей, что в принципе обеспечивает долговеч­ ность и надежность его работы. Обычно срок службы ЭХГ определяется отравлением катализатора или нару­ шением гидродинамики и массообмена в ТЭ. Подача в ТЭ чистых реагентов, работа ТЭ в оптимальных тем­ пературном и токовом режимах могут обеспечить дли­ тельный срок службы ТЭ. В лабораториях уже испытаны ТЭ со сроком службы более 10 000 ч.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Давтпн О. К. Проблема непосредственного превращения хи­ мической энергии топлива в электрическую. М., Изд-во АН СССР, 1947.

2. Коровин Н. В. Прямое превращение энергии топлива в элек­ трическую энергию при помощи топливных элементов. М., ГОСИНТИ,

1962.

3. Топливные элементы. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит.,

1963.

4. Юсти Э., Винзель А. Топливные элементы. М., «Мир», 1964. 5. Топливные элементы. Некоторые вопросы теории. М., «Наука»,

1964.

6.Топливные элементы. Сб. статен под ред. В. Митчела. Пер.

сангл. М., «Судостроение», 1966.

7.Фильштих В. Топливные элементы. Пер. с нем. М., «Наука»,

1968.

8. Топливные элементы. Кинетика электродных процессов. М., «Наука», 1968.

9.Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М., Физматгиз, 1959.

10.Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия. М., «Высшая

школа», 1969.

11.Феттер К. Электрохимическая кинетика. Пер. с нем. М., «Химия», 1967.

12.Фрумкин А. Н. я др. Кинетика электродных процессов. М.,

Изд-во МГУ, 1952.

13.Коровин Н. В. Способ получения катализатора в скелетной форме. Авт. свид. № 218830 от 1965 г. Опубл. в бюлл. «Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки», 1968, № 18.

Способ получения каталитической поверхности металлов и спла­ вов. Авт. свид. № 206094 от 1965 г. Опубл. в бюлл. «Открытия. Изо­ бретения. Пром. образцы. Товарные знаки», 1967, № 24.

14.Федотов Н. А. Полупогруженные электроды и пористые

электроды регулярной структуры. В [Л. 8], с. 76—99.

15. Чизмаджев Ю. А., Маркин В. С., Тарасевич М. Р., Чир­ ков Ю. Г. Макрокинетика процессов в пористых средах. М., «Наука»,

1971.

16. Коровин Н. В., Чудинов А. С. Анализ работы жидкостных пористых электродов с помощью ЭВМ.— В кн.: Доклады научнотехнической конференции МЭИ по итогам научно-исследовательских

№4, p. 706.

18.Bonnemay M. Les piles â combustible et leur development

197