Топливные элементы

Положение меняется, когда реакция осуществляется через электрохимическую стадию в топливном элементе (ТЭ). Роль полупроницаемой перегородки здесь играет поверхность электрода, которая "пропускает" только ток определенного типа, а работа "расширения" совершается при преодолении током разности потенциалов между электродом и раствором электролита. Схема топливного элемента приведена на рис.2.4.2. Он имеет два электрода, разделенных электролитом, переносящим ионы. Водород подводится к отрицательному электроду, а кислород к положительному.

В результате катализа на пористом электроде молекулы разлагаются на водородные ионы и электроны. Ионы Н мигрируют через электролит к другому электроду, где соединяются с кислородом и электронами, поступающими через внешнюю цепь, образуя воду. В водородно-кислородном топливном элементе реализуется КПД до80%.

Рис. 2.4.2. Схема водородно-кислородного топливного элемента.

Разработка топливных элементов на метане и воздухе могла бы оказать существенное воздействие на энергетику. Отдельное здание могло бы с помощью топливных элементов обеспечиваться электроэнергией и теплом, выделяющимся при их работе. При этом расход топлива, затрачиваемого на обогрев не изменился бы. К сожалению молекулу метана в ТЭ не удается разложить и ионизовать. Предложена схема сжигания с предварительной конверсией

.

Выделяющийся водород окисляется в топливном элементе, а СО используется как горючий газ. В реакции окисления водорода DS < 0, т.е. тепло выделяется в окружающую среду. Имеются электрические потери, связанные с протеканием электрического тока через электролит. Оба этих механизма выделения тепла можно использовать для осуществления реакции конверсии метана, если топливный элемент работает при достаточно большой температуре.

Попытки прямого электрохимического окисления угля предпринимались в начале века, но не получили развития.

На примере топливного элемента можно проиллюстрировать общую закономерность, справедливую для всех систем преобразования энергии. Для получения наибольших КПД следует стремиться к максимальной обратимости процессов. Максимальная обратимость предполагает минимальную интенсивность, малые скорости всех процессов, а, следовательно, большие размеры и большую стоимость устройств, где процессы протекают. Выбор степени приближения к обратимости является технико-экономической задачей. Критерий здесь - оптимизация с целью минимума совокупных затрат для получения заданного количества и качества энергии.

Раздел 2.5. Энергосбережение в системах производства

Дата добавления: 2015-06-27