Тепловые электростанции
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
Оглавление
Введение
I. Литературный обзор
I.1 История исследований
I.2 Горючее для топливного элемента
I.3 Два направления развития ТЭ
I.4 Первое поколение ТЭ
I.5 Второе и третье поколение ТЭ
I.6 Применение топливных элементов
I.7 Проблемы топливных элементов
I.8 Твердооксидный топливный элемент
II. Постановка задачи работы
III. Методика эксперимента
IV. Результаты
Список используемой литературы
Введение
Топливные элементы
Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую живую клетку.
Источником водорода в организме служит пища - жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном iете раскладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).
Человек, в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее..Литературный обзор
.1 История исследований
Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект - электролизер вырабатывал электрический ток.
В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.
Первые исследования начались в 60-х годах. РКК Энергия (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 Энергия произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.
Во время работ над программой Буран, исследовались щелочные AFC элементы. На Буране были установлены 10 кВт. топливные элементы.
В 70-80-е годы Квант совместно с рижским автобусным заводом РАФ разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.
В 1989 году Институт высокотемпературной электрохимии (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.
В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил к.т. н. Мирзоев Г. К.
В 2003 году было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией "Норильский никель" в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению в 2005 году Национальной инновационной компании Новые энергетические проекты, которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твердым полимерным электролитом мощностью 1 кВт.
.2 Горючее для топливного элемента
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения - молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет - появляется пламя.
Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:
+ O2 = CO2 + тепло
В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.
Структурная схема электростанции на топливном элементе
Горение - обмен электронов между атомами, а электрический ток - направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.
Основа любого ХИТ - два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на грани