Дипломная работа: Аналіз можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії

Характеристики основних накопичувачів енергії

№ з/п	Типи накопичувачів	ККД, %	Виділяєма енергія, кВт ч/м3	Виділяєма потужність, Вт/кг	Виділяєма енергоємність, кДж/кг	Довговічність при глибині розряду
1	Інерційні	90	60-150	>104	10-60000	>105
2	Свинцево-кислотні	75	30-60	500	64	300-500
	Нікель-кадмієві	75	70-100	200	110	1000-3000
	Окиснювально-відновлювальні	75	15-60	-	-	-
	Літієві	75-80	40-1000	-	-	10 років
3	ГАЕС	75	300-500	>104	28	-
4	Молекулярні накопичувачі енергії	95	0.2	104	1-10	104 -106
5	Накопичувачі тепла	30	600	-	-	-
6	Термоелектричні генератори	10	30	50	-	-
7	ЕХГ	10	500-1000	500-1000	70-104	5000

2. БУДОВА І СКЛАД ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ГЕНЕРАТОРА

Серед важливіших проблем енергетики особливе місце займають проблеми безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. ЕХГ суттєво відрізняються від інших перетворювачів енергії, тому що енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію, минаючи проміжну стадію перетворення її в теплоту. Тому ККД сучасних ЕХГ досягає 70-80%. Основною складовою частиною ЕХГ є паливний елемент. Для одержання необхідних значень напруги і струму паливні елементи об’єднуються у батареї.

На цей час достатньо розроблені і знаходять застосування в основному водень кисневі паливні елементи з пористими електродами (лужний електроліт) або з іонообмінними (кислий електроліт).

Паливні елементи першого типу (рис.2.1) мають два електрода, простір між якими заповнений електролітом. До одного електрода (анода) подається газоподібний водень, а до другого (катода) – кисень. Позитивні іони водню переходять у розчин і анод заряджається негативним зарядом. Внаслідок дії електростатичного притягання між негативно зарядженим анодом і позитивно зарядженими іонами водню на поверхні розділу електрод-розчин виникає подвійний електричний шар, позитивна сторона якого знаходиться у розчині, а негативна – у металі. Різниця потенціалів між сторонами називається електродним потенціалом. Навколо катода також виникає подвійний електричний шар, тому що негативно зарядженні іони кисню утримуються позитивно зарядженим катодом. При підключенні споживача збиток електронів з анода починає переходити до катоду, здійснюючи корисну роботу в зовнішньому ланцюгу. Коли щезнуть збиточні електрони, іони водню почнуть переходити у глиб розчину.

Рис. Схема паливного елемента

Порушення рівноваги між атомами і іонами палива приведе до виникнення нових іонів і електронів. Безперервний процес іонізації окислювача забезпечується переходом електронів до катоду.

Таким чином, в паливних елементах реакція йде не між атомами і молекулами, а між іонами. Етапи реакції:

1. Під впливом каталітичних властивостей анода молекули водню розпадаються на атоми і іонізуються з утворенням іонів і електронів

.

2. Електрони через споживач енергії переходять на катод, де створюються негативні іони кисню

.

3. Іони кисню переходять у розчин електроліту і створюють іони гідроксилу

.

4. Іони гідроксилу переміщуються у розчині електроліту від катода до анода і створюється кінцевий продукт реакції – вода

.

Для того, щоб не знижалася концентрація електроліту, необхідно постійно відводити воду.

Схема паливного елемента з іонообмінною мембраною приведена на рис.2.2. В такому елементі газові простори поділені мембраною, яка пропускає іони водню, але не пропускає молекули кисню і гідроксильні групи „ОН”.

Рис. Схема паливного елемента з іонообмінною мембраною

Між поверхнею мембрани і пористими токозйомниками нанесений шар каталізатора, тобто іонообмінна мембрана виконує роль твердого електроліту. При „кислотній” мембрані вода створюється на стороні окислювача і виводиться спеціальними пристроями.

Таким чином, процес генерування енергії в паливних елементах описується, як процес обміну електронами між паливом і окислювачем з утворенням нового хімічного сполучення.

3 АНАЛІЗ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Відповідно з першим законом термодинаміки, щодо хімічних реакцій, змінювання повної внутрішньої енергії системи DU_n дорівнюється теплоті хімічної реакції Q і здійсненої при цьому роботі L_S

DU_n =Q+L_S . (3.1)

Під повною внутрішньою енергією розуміють суму фізичної U_ф і хімічної Q_x її частин