Водород - топливо будущего - файл n1.doc

Водород - топливо будущего
скачать (229.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc230kb.20.11.2012 14:54скачать

n1.doc

Реферат

ВОДОРОД – ТОПЛИВО БУДУЩЕГО




Реферат 1

ВОДОРОД – ТОПЛИВО БУДУЩЕГО 1

СПРАВКА О ВОДОРОДЕ 1

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА 2

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА 2

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА 3

ОТКРЫТИЕ ГРОВА 4

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 4

ТОПЛИВНЫЙ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЭКОНА 5

СЕКРЕТ УСПЕХА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 5

ОСОБАЯ РОЛЬ ПЛАТИНЫ 7

ЧТО ГОРИТ В ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ 7

ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА 8

ПЕРВОЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ 10

КОСМИЧЕСКОЕ ТОПЛТВО 10

БОРЬБА с T -, P -, g – НУЛЯМИ 12

ЧУДО – ЭЛЕКТРОЛИТ 12

ОТВОД ВОДЫ 13

ОТВОД ТЕПЛА 13

НЕДОСТАТКИ ТВЕРДОГО ЭЛЕКТРОЛИТА 13

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЭКОНА НА ЛУНЕ 14

ЛУННАЯ «ГАЗИРОВКА» 14

СЛАБЫЕ МЕСТА ЭЛЕМЕНТА БЭКОНА 15

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С КАПИЛЛЯРНОЙ МЕМБРАНОЙ 15

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА РАССТОЯНИЕ 16

ХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ПЛАНИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ 16

РОЖДЕННЫЙ ДЛЯ ГОРОДА 17

АВТОМОБИЛЬ НОВОГО ТИПА 17

ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 18

ВМЕСТО ТОПЛИВНОГО БАКА 18

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АВТОМОБИЛЯ 19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

Литература 20



СПРАВКА О ВОДОРОДЕ



Водород - первый элемент Периодической системы Менделеева (1-ый период, порядковый номер 1). Водород открыт в 1766 году английским физикохимиком Г.Кавендишем; при взаимодействии цинка с кислотами он наблюдал выделение газа, сгорающего на воздухе с образованием воды. Природный водород содержит изотоп 1Н-протий с примесью стабильного изотопа 2Н (D)- дейтерия и следами радиоактивного изотопа 3Н (Т) -трития (на Земле всего 2 кг трития). Водород наиболее распространенный элемент в космосе (Солнце, большие планеты Юпитер и Сатурн, звезды, межзвездная среда, туманности); в состав космической материи входит 63% Н, 36%Не и 1% всех остальных элементов. В природе Земли - третий по распространенности элемент (после О и Si), основа гидросферы. Встречается в химически связанном виде (вода, живые организмы, нефть, природный уголь, минералы), содержится в верхних слоях атмосферы.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА



Водород не имеет полной аналогии с остальными химическими элементами. В связи с тем, что на внешнем электронном уровне его атомов имеется один электрон (или не достает одного электрона до октета), то в периодической системе водород условно помещается в IA- и /или в VIIA- группу. Атом водорода наименьший по размерам и самый легкий среди атомов всех элементов. Электронная формула атома 1s1, характерные степени окисления +1 и реже -1.

Шкала степеней окисления водорода:

+1: Н+, ОН-, Н2О, D2О, НСl, NH3, Н2S, NaOH, NaHCO3

0: Н2, Но

- 1: NaH, CaH2, AlH3.

Обладает значением электроотрицательности средним между типичными металлами и неметаллами. Проявляет амфотерные свойства – металлические и неметаллические.

Молекула водорода Н 2 содержит неполярную ?(сигма) - связь.

Водород – бесцветный газ без запаха и вкуса, устойчив к нагреванию до 2000оС; практически не растворяется в воде.

Хорошо растворяется в некоторых металлах (Fe,Ni, Pd, Pt и др.)

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА



Водород может проявлять в одних условиях восстановительные свойства (чаще)

восстановитель Н20- 2е- = 2Н+1

в других - окислительные свойства (реже).

окислитель Н20 + 2е- = 2Н-1

В роли восстановителя водород обычно выступает как в реакциях с простыми веществами:

а) 2Н2 + О2 = 2Н2О (синтез воды);

h?

б) Н2 + Сl2 = 2HCl (синтез хлороводорода)

toc,p,кат.

в) 3Н2 + N2 ? 2NH3 (синтез аммиака)

toc

г) Н2 + S ? H2S (синтез сероводорода)

так и в реакциях со сложными веществами:

Н2 + Сu O = H2O + Cu

3H2 + WO3 = 3H2O + W

Восстановление водородом металлов из их оксидов используется в металлургии для получения вольфрама, молибдена.

Кроме того, водород может выступать и в роли окислителя в реакциях соединения со щелочными и щелочноземельными металлами. В результате таких реакций образуются гидриды:

Н2 + Са = СаН2

Н2 + 2Na = 2NaH

Важнейшие соединения водорода: вода Н2О, аммиак NH3, метан СН 4, фтороводород (плавиковая кислота) НF, хлороводород (соляная кислота) НCl, бромоводород HBr, йодоводород НJ, сероводород Н2S, а также углеводороды.

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА



В лаборатории водород получают вытеснением водорода активными металлами из кислот (обычно используется цинк и соляная или серная кислоты):

Zn ( тв.) +2HCl (разб.) = ZnCl2 + H2?

Zn ( тв.) + H2SO4( разб.) = ZnSO4 + H2?

или из гидрида кальция:

СаН2(тв.) + 2 Н2О = Са(ОН)2? +2Н2?

Существующие на сегодняшний день технологии промышленного производства водорода далеки от совершенства. Несмотря на это, гиганты химической промышленности получают по 500 млрд. м 3 водорода в год. Половина производимого количества идет на производство аммиачных удобрений, остальное – на производство стали, вольфрама, молибдена, стекла, маргарина; используется в нефтехимическом синтезе (в составе синтез-газа Н2 и СО), при сварке и резке металлов и пр. Водород также является перспективным горючим в энергетике.

В основном водород получают с помощью парового риформинга природного газа:

900оС, Al2O3

СН4 + Н2О (пар) = CO ?+ 2H2 ?

Пока что такой водород самый дешевый.

Есть и другие способы получения водорода, например, полный пиролиз метана (разложение природного газа):

СН4? ? С + 2 Н2?

или из угля:

С (кокс) + Н2О (пар) = Н2 ?+ СО?

или крекинг биомассы (древесина, солома): ее нагревают до 500-600оС, после чего получают спирты (этанол, метанол), из которых в свою очередь получают водород; можно нагреть биомассу до более высоких температур (1000оС), тогда она полностью превратится в газ и получится смесь Н2 и СО. Проблема этого метода в том, что сырья для такого процесса понадобится очень и очень много.

Еще водород получают при помощи электролиза:

2Н2О = 2Н2 + О2 (электролитическое разложение воды)

NаCl + H2O = H2? + Cl2 ?+ 2 NaOH (электролиз водного раствора хлористого натрия)

- это еще и промышленный способ получения хлора и гидрооксида натрия.

Сейчас биологи активно разрабатывают еще одно направление получения водорода. Некоторые бактерии и водоросли в процессе фотосинтеза разлагают воду и выделяют водород. Проблема в том, что они делают это только в отсутствии кислорода, следовательно, процесс длится очень короткое время, так как при разложении воды, естественно образуется и кислород. Задача ученых – с помощью генной инженерии

продлить этот период, тогда в солнечных районах нашей планеты можно будет получать водород.

Еще один способ получения водорода – фотолиз – электрохимическое разложение воды на водород и кислород под действием солнечных лучей.

В данной работе водород нас интересует, как перспективное горючее в теплоэнергетике.

ОТКРЫТИЕ ГРОВА



В 1839 году в январском номере «Филосовского журнала» английский электрохимик Гров (1811-1896) описал опыт: стрелка гальванометра отклонилась, когда его соединяли с платиновыми полосками, полупогруженными в сосуд с разбавленной серной кислотой. Одна полоска обдувалась водородом, другая – кислородом. Так был создан первый топливный элемент – водородно-кислородрый…

Не сразу ученый и его современники осознали: в науке произошло событие значительное.

Электрические элементы (батареи), генерирующие ток, были известны и до этого. Но в них «сжигались» довольно дорогие металлы: цинк, свинец, никель. Насколько дешевле было бы электрохимически жечь водород, лучше – натуральный газ, еще лучше – уголь. А ведь именно эту возможность и предоставлял элемент Грова. В нем топливо (водород) сжигалось (соединяясь с кислородом) до конечного продукта – воды. И, что самое удивительное, человек впервые получал при сжигании обычного топлива не тепло, а сразу электрический ток.

Однако опыты Грова не произвели на ученых в то время большого впечатления: слишком ничтожны были снимаемые с элемента токи. Элемент выглядел лабораторным курьезом, не более того. Любопытно, занимательно, но практического применения не имеет!

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ



На заре цивилизации, вплоть до относительно недавнего времени существования человечества один основной источник энергии, используемый на земле - Солнце. Все остальные формы энергии произошли из этого источника в результате более или менее сложных процессов превращения.

Совсем недавно (с исторической точки зрения) человечество стало использовать ископаемые виды топлива, образованные в результате накопления органических остатков в течение миллиардов лет при некотором участии геотермальной энергии в процессе создания их сегодняшней формы. Уже с середины 19 века они становятся основным вторичным источником энергии.

С началом электрической эры главным топливом для получения электроэнергии становится уголь. «Король-уголь» называли его тогда, но единовластие длилось недолго. Очень скоро уголь потеснили «принцесса – нефть» и еще позднее «принц – газ».

К 1980 году эти энергетические властелины так делили свою власть: нефть -45%, уголь-25%, газ-19%. Суммарно 89% - углеводороды доминируют над другими вторичными источниками энергии. Но уже сейчас, в начале 21 века, можно предсказать, что энергетический трон может вскоре оказаться без владыки.

В 1860 году во всем мире добывали только 72 тыс. тонн нефти, а уже в 1980 году из земных недр выкачали 3064,4 миллиона тонн. В десятки тысяч раз больше. Однако, запасы нефти не безграничны. И засилье нефти в энергетике – дело временное.

Экология. Это слово ворвалось в жизнь людей стремительно, шумно, с обвинениями, попреками, мрачными прогнозами о будущем планеты. Наибольшую сумятицу экология внесла в мышление энергетиков. Многие энергетические технологии были поставлены под сомнение. Особенно досталось углю, а также нефти и другим углеводородам. На них было составлено досье, называющееся: «Индекс стресса и ранг опасности различных загрязнений для биосферы».

Экологи сделали смелый шаг – применили понятие стресса к воздействию человека на окружающую среду. Была составлена таблица, в которой отнюдь не почетные первые места заняли загрязнения, возникающие при сжигании угля.

К счастью для человечества, энергетическую эстафету подхватил атом.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель (1852-1908), французский физик, открыл радиоактивное излучение солей урана. А еще через два года Пьер Кюри и его жена Мария Кюри-Склодовская, продолжая начатое Беккерелем, открыли в урановой смолке (минерал уранинит) радий. Радий («лучистый») – естественный радиоактивный химический элемент. При распаде атомов в грамме радия за час выделяется около 550 джоулей теплоты.

На виду у всех атом сделал быструю энергетическую карьеру. От атома ждали чудес. Только, кажется, что шаги его были до поры до времени неслышными. Лишь изредка раздавались пророческие голоса – и об опасности для человечества, которую таит в себе атом, и о его же благе для земной цивилизации (всего один грамм урана по запасам энергии эквивалентен полутора тоннам высококачественного донецкого антрацита).

К концу 1973 года в США ядерная энергетика давала только 5% электроэнергии, сейчас же около 50% общего производства электроэнергии.

Большую сложность в атомной энергетике вызывают радиоактивные отходы, которые при этом будут накапливаться. Плутоний является одним из наиболее токсичных элементов, период полураспада радиоактивного изотопа 239Pu составляет 24 400 лет. Такие материалы должны храниться в течение многих тысяч лет под практически постоянным наблюдением.

Как видим, и атомная энергетика не является окончательным решением энергетических проблем. Реальность оказалась несколько иной, чем ожидания.

ТОПЛИВНЫЙ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЭКОНА



В 1939 году английскому инженеру Френсису Т. Бэкону удалось создать водородно-кислородный топливный элемент с плотностью тока в 13 миллиампер с квадратного сантиметра, работавший при температуре 100оС и давлении 200 атмосфер. Этот элемент проработал всего 48 минут.

Десять лет усилий дали уже неплохой результат: при давлении 27 атмосфер и температуре 200оС элемент Бэкона давал токи до 230 миллиампер и мог работать непрерывно много тысяч часов. В 1959 году Бэкон сконструировал и построил целую батарею из 40 топливных элементов общей мощностью в 6 киловатт, КПД – 80%.

Наконец-то (через 120 лет после открытия Грова) был создан работающий топливный элемент. Батарея Бэкона могла приводить в действие электрокар, циркулярную пилу, сварочный аппарат.

Все говорило о том, что топливные элементы вышли из стадии лабораторных исследований.

СЕКРЕТ УСПЕХА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ



Если в водородно-кислородном топливном элементе водородный электрод сделать из свинца, то для сжигания 1 см 3 Н 2 потребовалось бы ни много, ни мало десятки тысяч лет. В тех же условиях на платиновом электроде 1 см 3 Н2 расходуется всего за 1 час.

Практика показала, что не каждое сочетание двух электродов и электролита дает обильный ток. Используя платину, с 1 см3 электрода при сжигании водорода удается снять токи порядка миллиампера. Техника же требует токи в тысячи раз большие.

Технике нужны амперы? Значит, электроды должны быть огромных размеров. Но платина дорога. Если взять более дешевый никель, в рублях выигрыш будет, но в скорости электрохимических превращений нет. Теперь уже, чтобы получить тот же ампер, надо соорудить никелевые электроды в сотни и даже тысячи квадратных метров.

Проблему удалось решить с помощью пористых электродов. Идея пористых электродов проста – чем мельче в электродах поры, чем этих пор больше, тем больше и внутренняя поверхность электрода. Особенно показателен уголь: в одном его грамме заключены сотни и даже тысячи квадратных метров (гектары) поверхности.

Откуда набегают такие цифры? Для ответа проще всего взять кубик (1 см3) любого вещества, его площадь поверхности составляет - 600 мм 2, и раздробить его.

Разделим кубик на 1 000 более мелких кубиков (ребро длиной 1 мм) и рассчитаем их суммарную поверхность. Легко видеть, что вместо начальных 600 мм 2 поверхности мы уже имеем 6 000 мм 2 поверхности суммарной площадью. Если продолжать дробление кубика, на кубики с ребром миллимикронных размеров (1 ммк=10-9 м), то суммарная площадь уже будет составлять – 6 000 000 000 мм 2 или 6 000 м 2 суммарной поверхности. И вся эта уйма площади заключена в 1 см 3 объема.

Таким образом, 1 г платины, раздробленный до частичек размером 0,01 мк, мог бы обеспечить токи в несколько тысяч ампер. Казалось бы для таких токов и драгоценной платины не жалко. Однако трудности еще не закончились.

В электрохимических процессах, идущих на любом из электродов топливного элемента, обязательны три главных действующих лица.1) Газ - например, водород, являющийся топливом. 2) Электролит - поставщик ионов. 3)Катализатор - например, платина, которая не только катализирует процесс, но и служит проводником для образующихся электронов. И все эти действующие лица должны действовать совместно. Вот тут и начинаются трудности.

Чтобы получить большие токи, надо нашпиговать поры электрода одновременно и газом и электролитом, хотя они взаимно вытесняют друг друга.

Свести несовместимое – эту задачу надо было решить. Над ней ломали голову и столетие спустя после открытия Грова.

Вопрос оптимального обеспечения пор электрода и электролитом, и газом был решен. Сработала идея – сделать поровое пространство частично гидрофильным (свойство материалов удерживать воду), частично гидрофобным (свойство материалов не смачиваться водой). Ясно, что в гидрофильно-гидрофобной пористой среде раствор электролита будет проникать в электрод лишь по гидрофильным порам, по порам с гидрофобными стенками пойдет газ. Поверхность встречи «газ – электролит – металл», а вместе с ней и ток станут большими.

Только в последние десятилетия химики сумели синтезировать химически стойкие гидрофобизаторы. Особую известность среди них получил фторопласт - 4.

При смешении порошка фторопласта с мелкими зернами катализатора получается материал, в котором как бы «встроены» в пористый электрод каналы для подачи газа.

Фторопласт круто изменил судьбу топливных элементов. Эти меры и обусловили успех дела: топливные элементы стали конкурентоспособными.

ОСОБАЯ РОЛЬ ПЛАТИНЫ



Платина и ее сородичи (благородные металлы платиновой группы: палладий, родий, иридий, рутений, осмий) обладают совокупностью противоречивых свойств. С одной стороны они не образуют прочных химических связей с реагентами и продуктами химических реакций, ведут себя по отношению к ним инертно, сами не изменяются в химических превращениях и в то же время ускоряют эти превращения. А с другой стороны, платина хорошо адсорбирует, хорошо удерживает на своей поверхности всевозможные химические вещества, что облегчает сближение, вступающих в химическую реакцию веществ. Таким образом, платина и члены ее подгруппы одновременно и активны и пассивны.

Кроме этих свойств, платина не боится ни кислот, ни щелочей, не растворяется в любом электролите. Обладает она и ярко выраженными металлическими свойствами: легко подводит и отводит электроны от границы электрод-раствор, где протекает реакция.

Вот эта гамма свойств и обусловила уникальное положение платины среди электрокатализаторов.

Ученые всего мира работают над проблемой замены дорогих катализаторов на более дешевые, но с такими же свойствами как у платины.

Перебирая всевозможные вещества и их комбинации, электрохимики случайно обнаружили замечательные свойства карбида вольфрама. Это соединение прекрасно адсорбирует водород и не страшится кислотных электролитов (до карбида вольфрама с этим справлялась только платина).

Успешны были и исследования немецких ученых по замене платины в водородно-кислородном топливном элементе на особые «скелетные катализаторы». Их получают, сплавляя металл-катализаеор с алюминием. Затем алюминий удаляют растворением сплава в щелочи: остается высокопористый, с развитой удельной внутренней поверхностью порошок катализатора, имеющий высокую каталитическую активность.

ЧТО ГОРИТ В ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ



Топливо (дрова в костре, уголь, нефть) состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны; атомы кислорода (окислитель) наоборот, приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа:

С + О2 = СО2 + Q (I)

Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующие в горении, приобретают большие скорости, а это означает весьма значительное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, появляется видимое нами пламя.

Передача электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в тепловую энергию.

Горение – обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток – тоже движение электронов, только упорядоченное. Нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получить электрический ток? Возможно ли «холодное» горение, организованное и упорядоченное? Вспомним опыт Грова. Он сжигал в кислороде водород. Напишем химическую реакцию обычного горения водорода:

2 + О2 = 2Н2О + Q (1)

Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла.

Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировался электрический ток? Можно ли обеспечить протекание такого процесса?

2 + 4ОН- ? 4Н2О + 4е- (2)

Для этого надо свести вместе три фактора: газ (водород), источник ионов ОН - (электролит – раствор гидрооксида в воде) и электрод, который примет образующиеся в реакции электроны. Чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела «металл-электролит-газ» необходимо непрерывно подводить ионы ОН- и отводить электроны е-. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь. К специально подобранному электроду необходимо подводить кислород или воздух, чтобы там протекала реакция:

- + О 2 + 2Н 2 О ? 4ОН- (3)

В сумме реакции (2) и (3) дают реакцию:

2 + О 2 ?2Н 2 О (4)

То есть уравнение (4) это реакция (1) горения водорода, однако, в водородно-кислородном топливном элементе, энергия химической реакции преобразуется уже в основном не в тепло, которое трудно использовать, а непосредственно в электрическую энергию.

В 1893 году немецкий физик и физикохимик Нернст (1864-1941) вывел теоретически уравнение (оно носит его имя), определяющее величину электродвижущей силы (Е) электрохимического элемента. При помощи этой формулы Нернст численно рассчитал количество электрической энергии, которое получается при электрохимическом соединении угля с кислородом.

Результат был ошеломляющим. Нернст показал, что если бы удалось превратить химическую энергию угля в электричество электрохимическим путем (подразумевается, в топливных элементах), то максимальный теоретический коэффициент полезного действия (КПД) такого процесса составил бы 99,75%. Почти 100%, вот оно первое из многих достоинств топливных элементов!

В них, в отличие от паровой и прочих тепловых машин энергия вроде бы практически не теряется.

Для сравнения, в современных паротурбинных блоках тепловых и атомных электростанций идеальный КПД составляет 64%. Но 64%- это оценка сверху! Реальные цифры оказываются значительно меньшими. Для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания реальный КПД (в среднем) не превышает 30%,а для более совершенных устройств – паровых и газовых турбин - 40%.

ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА



Водородно-кислородный топливный элемент - химический источник тока. Он состоит из двух полуэлементов. В одном происходит полуреакция окисления, в другом – полуреакция восстановления.

В этой системе мы имеем дело с двумя газовыми электродами: водородным и кислородным. Газовые электроды представляют собой полуэлементы, состоящие из инертного металла, насыщенного данным газом и погруженные в электролит, содержащий ионы этого газа.

Электрод, на котором происходит окислительный процесс, называется анодом, в нашем случае это водородный электрод: Н+│ Н 2│ Рt (-)

Электрод, на котором происходит восстановительный процесс, называется катодом, в нашем случае это кислородный электрод: ОН-│ О2│ Рt (+)

Кислородно-водородный топливный элемент запишем таким образом:

(-) Pt│ H2│H 2O│O2 │Pt (+)

Напишем токообразующую реакцию (суммарную реакцию, протекающую в системе):

(-) Н 2 – 2е-? 2Н+

(+) Ѕ О2 + 2е-+ Н2О?2ОН-

—————————————

Н 2+ Ѕ О2 2О?2Н2О или

Н2+1/2О22О

Воспользуемся термодинамической формулой Нернста для написания формулы электродвижущей силы (э.д.с.) кислородно-водородного топливного элемента.

Е = Ео +( RT/2F) ·ln (pH2 · pO2 1/2Н2О)

Где, Ео= ?оО - ?оН = 1.228 В

?оО = 1,228 В – стандартный потенциал кислорода для данного электродного процесса.

?оН = 0 В - стандартный водородный потенциал.

аН2О – активность молекул воды, т.к. вода плохо проводит ток, принимаем

равной 1.

pH2 и pO2 - концентрации газов.

Тогда формула примет вид:

Е = 1,228+(RT/2F)·ln(pH2 ·pO21/2 )

Из формулы следует, что электродвижущая сила кислородно-водородного топливного элемента зависит, при определенной температуре, от концентрации газов, принимающих участие в электрохимической реакции. Так как, повысить концентрацию газов можно только при увеличении давления в подаваемых газах, следовательно, электродвижущая сила данного топливного элемента зависит от величины давления водорода и кислорода. Чем выше давление газов, подаваемых в систему, тем выше значение электродвижущей силы.

Еще один момент, вода – плохой электролит, она плохо проводит электрический ток, поэтому электродвижущая сила будет тратиться на преодоление омического сопротивления внутри электрохимической системы. В систему необходимо вводить вещества, проводящие электрический ток. Чем выше концентрация молекул воды, тем выше будет омическое сопротивление, тем ниже значение э.д.с., следовательно, излишки воды требуется удалять из системы.

Взглянем еще раз на формулу. Значение э.д.с. Е зависит и от температуры Т системы, чем выше значение температуры, тем выше значение э.д.с..

Подведем итог сделанным нами выводам. Электродвижущая сила водородно-кислородного топливного элемента должна повышаться:

при использовании более высоких температур в системе;

при повышении давления вводимых в систему компонентов: водорода (топлива) и кислорода (окислителя);

при увеличении электропроводности системы.

ПЕРВОЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ



Первое практическое применение топливные элементы нашли не на земле, а в космосе, там его достоинства засверкали яркими красками.

В1963-1964 годах только в США на исследования по топливным элементам ежегодно шли десятки миллионов долларов. И такие исследования велись во всех развитых странах мира. В середине 60-ых годов 20 века в США проблемой топливного элемента занимались около 60 организаций. Например, в крупной американской промышленной фирме «Пратт – Уитни», работавшей тогда на космос, над созданием электрохимических генераторов (ЭХГ). Так называют топливные элементы, если их рассматривать вкупе с автоматикой, системами отвода тепла, продуктов химических реакций и прочими вещами, неизбежными, если речь идет о мощных автономных источниках энергии. Над ЭХГ трудились тысячи ученых и инженеров. Для изготовления топливных элементов эта фирма располагала специальным заводом площадью 16 тысяч квадратных метров. А за участие в проекте «Аполлон» фирма получила от НАСА 100 миллионов долларов.

Парадокс – сработанные только вчера и вчерне, не обстрелянные топливные элементы должны были использоваться в космической технике, где к любой аппаратуре предъявляются сверхжесткие требования.

КОСМИЧЕСКОЕ ТОПЛТВО



В космос, кроме самой батареи топливных элементов, необходимо брать еще и топливо – водород, и окислитель – кислород. Велик ли расход топлива и окислителя при работе топливных элементов? И сколько водорода и кислорода надо взять в космос?

Используя объединенную формулу I и II законов Фарадея, сделаем расчет потребности водорода и кислорода при работе водородно-кислородного топливного элемента.

m= (M/ n F) I t

где m – масса вещества, прореагировавшего на электроде;

М – молярная масса этого вещества,

n– число электронов, участвующих в процессе,

I – сила тока (А),

t – время электролиза (с);

F– постоянная фарадея (96 500 Кл/моль).

Еще раз запишем процессы, протекающие на электродах топливного элемента:

(-) Н2 – 2е-? 2Н+

(+) Ѕ О2 + 2е-+ Н2О?2ОН-

МН2=2 г

МО2=32:2=16 г

n =2 электронам

При выделении количества электричества равного 1F, при силе ток 1А за 1сек., на аноде прореагирует: mН2=2:2=1 г водорода; на катоде: mО2= 16:2=8 г кислорода

В топливном элементе водород, каждый его атом, превращаясь в анион, посылает во внешнюю цепь один электрон. Поэтому, когда прореагирует 1 грамм водорода (грамм-атом!), по цепи пройдет ровно 6·1023 электронов, что эквивалентно 96 500 ампер-секундам (кулонам) или 26,8 ампер-часам (т.к. в 1 часе 3600 секунд, то 96500:3600=26,8). Такое количество электричества в честь Фарадея названо фарадеем и обозначается символом F.

Это события на водородном электроде (аноде).

На кислородном же электроде (катоде) - в водородно-кислородном топливном элементе - каждая молекула кислорода захватывает 4 электрона. Поэтому для получения 1F электричества нужно затратить ј моля кислорода, или, что тоже, восемь граммов. Расход кислорода по весу получился в восемь раз больше расхода водорода.

Если обобщить рассуждения, то можно сказать, что для получения 1F электричества из любого вещества надо затратить в электрохимическом устройстве М/n граммов этого вещества, где М означает молярный вес вещества, а n - число электронов, участвующие в окислении или восстановлении одного моля вещества.

Теперь оценим расход топлива и окислителя не на определенное количество электричества, а на определенное количество электрической энергии, например на 1 киловатт-час.

Количество выработанной электроэнергии – мощность (W) – это произведение количества электричества на напряжение источника.

W = I U t (Ватт), где t – время (с);

I – ток (А);

U – напряжение источника (В).

1 кВатт-час = 1 000 · 3 600 = 3 600 000 Ватт (Джоуль)

Следовательно, если допустить, что напряжение источника равно 1 В, то на 96 500 Ватт будет израсходовано: 1 грамм водорода и 8 грамм кислорода.

Для выработки 1 к Ватт-час электроэнергии при напряжении источника 1 В потребуется:

Водорода 3 600 000 · 1: 96 500 = 37,3 грамма.

Кислорода 3 600 000 · 8: 96 500 = 298,4 грамма.

Т.к. W/U=It, то It = 3 600 000/0,7 (при напряжении источника 0,7 В). Подставим значение It в формулу для расчета потребности водорода и кислорода.

Для выработки 1 к Ватт-час электроэнергии при напряжении источника 0,7 В потребуется:

Водорода m H2=(2/2)(1/96 500)(3 600 000/0,7)=53,3 грамма.

Кислорода m O2 = (16/2)(1/96 500)(3 600 000/0,7)=426,4 грамма.

Поэтому расход активных веществ зависит еще и от рабочего напряжения элемента: чем оно выше при одном и том же токе, тем меньше удельный расход активных веществ.

Если водородно-кислородный топливный элемент будет работать при напряжении

1 вольт, расход водорода в нем составит 37,3 г/кВтч, а при напряжении 0,7 вольта – 53,3 г/кВтч. Расход кислорода, как мы уже отмечали всего в 8 раз больше расхода водорода.

Итак, проведя оценки, получаем конечный результат. На 1 киловатт-час энергии в водородно-кислородном топливном элементе необходимо израсходовать около 0,5 килограмма горючего и окислителя. Таким образом, для энергоустановки космического корабля «Джемини», рассчитанной на выработку 200 киловатт-часов электроэнергии, необходимо было захватить в космос примерно 100 килограммов водорода и кислорода. Если учесть, что расчетный вес установки оценивался специалистами в 225 килограммов, то, значит, половина этого веса приходилась на топливо и окислитель.

Это - теоретические оценки. А практика (технология) дела была такой.

Газообразные водород и кислород заняли бы громадный объем, поэтому они хранились в особых отсеках космического корабля в жидком состоянии. А это – новая проблема. Чтобы сохранить сжиженные газы длительное время (двухнедельный полет) с очень незначительными потерями на испарение, потребовалось создать специальные емкости.

Еще тонкость. Перед подачей в топливные элементы водород и кислород необходимо было в нужной дозировке из жидкого состояния перевести в газообразное состояние. Для этого газы подогревались в специальном теплообменнике, где греющей средой являлся циркулирующий теплоноситель. И нагреть нужно было до строго определенной температуры - рабочей температуры топливных элементов. До рабочего значения доводилось (с помощью редукторов) и давление газов. Иначе из-за некондиционной температуры и давления газов топливные элементы могли «впасть в шоковое состояние».

Но все эти меры – лишь малая толика тех технологических трудностей, которые пришлось преодолеть для того, чтобы послать топливные элементы в космос.

БОРЬБА с T -, P -, g – НУЛЯМИ



Космос отгородился от землян высочайшими барьерами. Эти барьеры специалисты называют Т -, Р-, g-нулями. Они означают, что человек в космосе должен научиться жить и работать при нулевой температуре, нулевом давлении и нулевой гравитации.

Для конструкторов и технологов, снаряжавших топливные элементы в космический полет, наибольшие неприятности доставил g-нуль.

Особенно строптиво в невесомости ведут себя жидкости. Они покидают предназначенные для них емкости, нарушая нормальное функционирование различных систем. В них не наблюдается обычная в земных условиях конвекция (перенос вещества вместе с потоком движущейся жидкости или газа), что сильно затрудняет удаление пузырьков газа, случайно попавших в электролит. Ввиду всего этого в первом варианте топливных элементов, побывавших в космосе, было решено вовсе отказаться от жидкого электролита, заменив его на …твердый.

ЧУДО – ЭЛЕКТРОЛИТ



Такой чудо-электролит представляет собой пленку (мембрану) из твердого полимера, обладающего ионообменными свойствами. Получают такой полимер, например, полимеризацией стирола с дивинилбензолом и последующей обработкой образующегося продукта серной кислотой.

Полимер имеет трехмерную структуру. Проводниками тока в этом необычном электролите являются ионы водорода: они отщепляются от сульфогруппы SO3H при пропитке полимера водой. Сульфогруппы заряжаются отрицательно, но они жестко привязаны к каркасу полимера, перемещаться не могут, а потому и не участвуют в переносе тока. Ток проводят только положительно заряженные ионы водорода, они движутся в воде, заполняющей пустоты в полимере.

Конечно, достоинство твердого электролита частично подрывается тем, что омическое сопротивление полимера превосходит сопротивление жидкого раствора электролита. Поэтому разделяющую водородный и кислородный электроды полимерную мембрану старались сделать как можно тоньше, чтобы уменьшить омические потери в каждом отдельном элементе.

ОТВОД ВОДЫ



Следующей проблемой, где невесомость вновь заявила о себе, стала проблема отвода образующейся в топливном элементе воды. Если ее не удалять, она покроет электрод пленкой и затруднит к нему доступ для газа. Растворимость (со =10-6 моль/см3) и коэффициент диффузии (D =10-5 см 2 /с) газа в воде ничтожны, поэтому характеристики элемента при его «затоплении» могут резко снизиться. Но в то же время вода необходима мембране, которая хотя и слабо впитывает ее, однако сухой быть не должна.

Требовалась тонкая балансировка между крайностями. Ее решили так. Вода удалялась путем испарения с кислородного электрода за счет тепла, выделяющегося при работе топливного элемента, и конденсировалась на токоотводе, который охлаждался специальным теплоносителем, циркулирующим по трубкам, прикрепленным к токоотводу.

Но и здесь опять пришлось бороться с невесомостью. В космосе конденсирующаяся вода не может стекать. Вот и пришлось ее удалять с помощью системы фитилей, буквально высасывающих воду.

ОТВОД ТЕПЛА



Если невесомость проявляет свои коварства явно, то влияние Т - и Р-нулей сказывалось косвенно. Возьмем, к примеру, проблему отвода образующегося в топливных элементах тепла. Ведь кабину космического корабля – этот искусственно созданный островок жизни в космическом океане – нельзя перегревать.

Система охлаждения энергетической установки была включена в общую систему терморегулирования кабины. Теплоноситель отводил выделяющееся в топливных элементах тепло к холодильнику-излучателю, который и сбрасывал это тепло в окружающее пространство.

Первые испытания топливных элементов в космическом полете проведены были на корабле «Джемини-2», на котором в январе 1965 года выполнялся кратковременный суборбитальный полет без экипажа. А в условиях длительного орбитального полета топливные элементы проверялись на корабле «Джемини-5» в августе 1965 года.

В основном топливные элементы справились с задачей. Однако вследствие недоработок в системе подогрева топлива в баках и в системе отвода воды астронавты вынуждены были несколько раз резко ограничивать расход электроэнергии.

НЕДОСТАТКИ ТВЕРДОГО ЭЛЕКТРОЛИТА



Еще более длительной была работа топливных элементов во время полета корабля «Джемини-7» в декабре 1965 года. 14 суток питали они электроэнергией все системы корабля, хотя и тут были отмечены некоторые неполадки.

Первыми в космосе оказались топливные элементы с твердым полимерным электролитом.

Там же выявились и их существенные недостатки. Для полетов на Луну – тут потребовались установки более мощные – они явно не годились: твердый электролит успешно работал лишь при температурах, не превышающих 60оС: при более высоких температурах полимер просто плавился. И это сильно осложняло отвод тепла.

При малом перепаде температур нужна большая поверхность теплоотдачи, из-за чего система становится слишком громоздкой, и большая скорость циркуляции теплоносителя. В итоге все это приводит к большим затратам энергии на перекачку газов и жидкостей. Поэтому необходимо было разработать топливные элементы с более высокой рабочей температурой.

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЭКОНА НА ЛУНЕ



На Луну отправились водородно-кислородные топливные элементы, которые создал Френсис Т. Бэкон. Патенты Бэкона купила американская фирма «Пратт-Уитни». Купила, чтобы, приступить к разработке энергетической установки для космических кораблей «Аполлон», создававшихся для полетов на Луну.

Специалистам фирмы удалось коренным образом модернизировать элементы Бэкона. Прежде всего, щелочной электролит, представлявший собой 30% раствор КОН (гидрооксид калия), исследователи заменили 85%, что позволило резко снизить рабочее давление в газах до нескольких атмосфер. Очень много было сделано и для улучшения электрохимических характеристик и конструкции электродов и элементов.

КПД вновь созданных топливных элементов составил 60-67%. Это было большим преимуществом элементов Бэкона по сравнению с топливными элементами с ионообменными мембранами, которые стояли на «Джемини». Их КПД был примерно 50%. Ясно, что при большем КПД требуется меньше водорода и кислорода, что, в конечном счете, обеспечивает выигрыш в весе всей установки при длительной работе.

Батарея топливных элементов на космических кораблях «Аполлон» состояла из трех независимых секций, причем для нормальной работы было достаточно двух секций, каждая из которых весила примерно 120 килограммов. В каждой секции последовательно соединялся 31 элемент, секция работала с мощностью 560 – 1420 Ватт. При кратковременной нагрузке можно было отбирать до 2,3 киловатта мощности.

В энергосистему кораблей «Аполлон» входили также аккумуляторные батареи для обеспечения электроэнергией основных систем в аварийных ситуациях. Вся энергоустановка, рассчитанная на работу в течение 15 суток, весила 800 килограммов.

Водородно-кислородные топливные элементы Бекона довольно успешно справились с труднейшими задачами. Энергоустановки в космосе работали вполне нормально. Они обеспечили выполнение основной цели программы «Аполлон»- космические корабли «Аполлон-11» и «Аполлон -12» доставили астронавтов на Луну и возвратили их на Землю.

Правда, при полете корабля «Аполлон-13» произошла авария в кислородных баках системы энергосбережения, но астронавты с помощью аккумуляторных резервных батарей благополучно возвратились на Землю.

ЛУННАЯ «ГАЗИРОВКА»



Топливные водородно-кислородные элементы добрались до Луны в июле 1969 года, они не только снабжали космические экипажи электроэнергией, но буквально поили их. При работе водородно-кислородного топливного элемента в качестве продукта реакции выделяется вода – вещество пока дешевое на Земле, но не в космосе.

Ежедневно человеку в космосе требуется примерно от 4 до 13 литров воды – в зависимости от условий и срока полета. Эту потребность могут обеспечить водородно-кислородные топливные элементы, так как в них при выработке 1 киловатт-часа электроэнергии в качестве побочного продукта выделяется 0,35-0,45 литра чистейшей воды.

Вода образуется в топливных элементах на водородном электроде. Как ее удалить, одновременно сохранив для нужд экипажа. Было решено удалять воду потоком циркулирующего газообразного топлива – водорода. Одновременно водород выполнял и роль теплоносителя, охлаждая батарею.

Водород, выйдя из батареи топливных элементов, проходил через промежуточный теплообменник и конденсатор. При этом большая часть водяного пара конденсировалась, и вода направлялась в сепаратор, где центробежный насос отделял ее от газа. Затем очищенная вода поступала в систему хранения, где ею могли пользоваться астронавты. Водород же вновь возвращался в батарею для повторного цикла.

Правда, на первых порах американские астронавты испытывали некоторое неудобство. Вода напоминала газировку: только вместо углекислого газа она была насыщена водородом. Это вызывало необычные и малоприятные ощущения.

Причина этого явления проста. Ведь вода выделяется – испаряется – с той стороны, где происходит подача в элемент водорода. Естественно, пары воды смешиваются с газообразным водородом.

Но в дальнейшем удалось получить воду без растворенного в ней водорода. Для улавливания в питьевой воде пузырьков газа на краны надевались специальные фильтры…

СЛАБЫЕ МЕСТА ЭЛЕМЕНТА БЭКОНА



Топливные элементы на кораблях «Аполлон» служили вполне надежно, однако специалисты и у них видели слабые места.

Серьезный недостаток элементов бэконовского типа – довольно длительное время запуска, что связано с необходимостью предварительного разогрева электролита. Хотелось также еще больше снизить вес батареи топливных элементов, увеличить продолжительность их работы. Поэтому были начаты исследования еще одного, третьего, типа водородно-кислородных топливных элементов с капиллярной мембраной.

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С КАПИЛЛЯРНОЙ МЕМБРАНОЙ



Этот вариант как бы вобрал в себя достоинства первых двух типов. Отличие от топливных элементов с ионообменными мембранами в том, что теперь мембрана сама неэлектропроводна и газопроницаема. И только после пропитки жидким электролитом (как и в бэконовских образцах электролитом служил раствор щелочи и воде) капиллярная мембрана может выполнять ту же роль, что и ионообменная мембрана, роль квазитвердого электролита. Наилучшим материалом для нового типа мембран оказался тонкопористый асбест.

Капиллярная мембрана прекрасно работает в условиях невесомости. Электролит перемещается в ней главным образом за счет капиллярных сил, поэтому работа топливных элементов не зависит от силы тяжести.

Топливные элементы с асбестовой капиллярной мембраной разработала в США фирма «Алис-Чалмерс». Топливные элементы с капиллярной мембраной не уступали бэконовским по коэффициенту полезного действия, при этом были легче и, что особенно важно, могли стабильно работать очень долгое время. Лишь спустя 4500 часов (полгода!) при длительных испытаниях топливных элементов наблюдалось небольшое падение мощности.

Все эти труды исследователей, технологов, конструкторов (отработка разных типов топливных элементов) были не напрасны, а многолетнее опробование и совершенствование топливных элементов явно пошло им на пользу.

Итак, в космосе топливный элемент нашел себе первое настоящее дело. И это сыграло важную роль: конструкция его непрерывно улучшалась. Можно сказать, что в космосе топливный элемент «окреп и возмужал». Теперь ему предстояло спуститься с небес на Землю, чтобы и здесь продемонстрировать все свои замечательные качества.

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА РАССТОЯНИЕ



Вследствие остроты проблем загрязнения окружающей среды от электростанций, работающих на ископаемом топливе, и опасности радиоактивного поражения через атомные электростанции; растущее число электростанций, вероятно, будут строить на большом расстоянии от населенных пунктов, что потребует линий передач огромной протяженности. Электропередача является наиболее дорогим методом переноса энергии.

Предлагаются варианты использования геотермальной энергии, энергии силы приливов. Специалистами обсуждаются варианты размещения атомных электростанций в океане, с тем, чтобы использовать морскую воду для охлаждения.

Для передачи больших количеств энергии было предложено превращать электричество в водород и транспортировать его по трубопроводам, в танкерах, цистернах к месту потребления электроэнергии.

Использование водорода как носителя энергии для передачи ее на большие расстояния дает значительную экономию. С помощью водородных трубопроводов можно было бы решать проблему передачи энергии от электростанций, размещенных в океане или на отдаленном расстоянии от мест потребления электроэнергии непосредственно к потребителям этой энергии.

В связи с этим возрастает роль электрохимического получения водорода электролизом воды. А водородно-кислородные топливные элементы являются идеальным способом превращения водорода в электричество.

ХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ПЛАНИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ



Решение проблемы хранения энергии позволит улучшить производительность схемы получения энергии и уменьшения ее стоимости. Задача обеспечения энергией в часы пик в нынешнее время особенно важна для коммунальных служб, подводящих электричество.

Одним из способов хранения энергии и обеспечения электроэнергией в часы пик может стать следующая схема: электролизер для получения водорода (работает в периоды малого потребления электроэнергии), системы хранения водорода и кислорода и водородно-кислородный топливный элемент (начинающий свою работу в период основной нагрузки в электросети).

В системах хранения подобного типа отсутствуют загрязняющие отходы, уровень шума такой же, как при работе кухонного холодильника.

РОЖДЕННЫЙ ДЛЯ ГОРОДА



Город – это «остров тепла». Средняя температура тут из-за огромного энергопотребления, обилия всевозможных установок, машин, приборов, аппаратов, выбрасывающих в виде отходов в атмосферу не только газообразные продукты, но и тепло, наконец, из-за жизнедеятельности большого количества людей может на 10 градусов быть выше, чем вне городской черты.

В воздухе, которым дышат жители города с населением и миллион человек, в 10 раз больше пыли, в 5 раз больше двуокиси серы, в 10 раз больше углекислого газа, в 25 раз больше угарного газа.

Как же совместить в городах экологическую чистоту и непрерывный рост энергопотребления?

У водородно-кислородныех топливных элементов есть несколько важных достоинств.

Первое - они экологически чисты (в процессе работы выделяется вода).

Второе - бесшумны в работе (так как химическая энергия здесь непосредственно преобразуется в электрическую, минуя стадию, связанную с механическим движением).

Третье - низкотемпературные водородно-кислородные топливные элементы не потребляют воды.

Что требуется, для того чтобы топливные элементы широко вошли в технику и быт? Что необходимо сделать, чтобы они из экзотичных космических существ превратились в создания вполне ординарные и земные?

Прежде всего, они должны работать не на чистейших кислороде и водороде, а на воздухе, где кислород разбавлен инертным азотом и другими примесями, использовать в качестве топлива доступные, встречающиеся в готовом виде для употребления вещества. Вот тогда, возможно, топливные элементы действительно смогли бы повсеместно заменить менее эффективные гальванические элементы и аккумуляторы, а также двигатели внутреннего сгорания и другие тепловые машины.

АВТОМОБИЛЬ НОВОГО ТИПА



Америка поставила себе задачу: в ближайшие 10-15 лет избавиться от нефтяной зависимости. Один из выходов – как можно скорее запустить в серийное производство водородный автомобиль

Главное препятствие к внедрению автомобиля на водородном двигателе (водородно-кислородном топливном элементе) – отсутствие системы промышленного получения водорода в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов, такую систему удастся создать не раньше 2020-2030 годов. На переходный период ведущие автомобилестроители предложат так называемые «гибридные автомобили»: в них экономичный двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную батарею, которая питает электрический двигатель. Такие автомобили разрабатываются практически всеми ведущими автомобильными компаниями и уже серийно выпускаются в Японии.

Классическая схема: двигатель внутреннего сгорания приводит и движение колеса через механический привод.

Нас окружают тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову, что их эффективность катастрофически мала. Если взять так называемые «условия городского цикла движения», то общий коэффициент полезного действия (КПД) автомобиля – 10-12% (за городом, где меньше светофоров, 15-17%). Девять литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу.

ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ



Автомобили на водородном топливе условно можно разделить на три класса.

Первый – это машины с обычным двигателем внутреннего сгорания, работающие на водороде или водородной смеси. Такие модели могут работать на чистом водороде или 5-10% водорода добавляют к основному топливу. В обоих случаях коэффициент полезного действия двигателя увеличивается (во втором случае примерно на 20%). И выхлоп становится гораздо чище: содержание угарного газа (СО) и углеводородов (CnHm)

уменьшится в 1,5 раза, оксидов азота (NOx) – до 5 раз. Такие двигатели и автомобили были сделаны и прошли все испытания и у нас в стране и за рубежом примерно в 70-80-х годах 20 века. Однако, учитывая затраты и конструкционные сложности, это может быть только промежуточным, переходным этапом на пути к третьему типу.

Второй – это так называемые «гибридные» машины. Его колеса приводит в движение электропривод, энергию которому поставляет аккумулятор, в свою очередь заряжающийся от высокоэкономичного двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде или смеси водорода с бензином. Это очень выгодно, ведь коэффициент полезного действия электродвигателя достигает90-95% в отличие от бензинового (35%) или дизельного (50%), таким образом, общий коэффициент полезного действия автомобиля повышается до 30%, соответственно снижается расход топлива. Даже если для подзарядки аккумулятора используется бензин, объем вредных выбросов позволит уложиться в нормы «Евро-4» с десятикратным запасом. И все же получить совершенно чистый выхлоп можно только у автомобилей третьего типа.

Третий – автомобиль с электродвигателем, который питается от топливного элемента, расположенного на борту автомобиля. Теоретически коэффициент полезного действия топливного элемента, работающего в системе водород – воздух, может быть более 85%.

Сейчас уже удалось получить двигатели с коэффициент полезного действия около 75% - это более чем в 2 раза выше, чем в лучших двигателях внутреннего сгорания. В условиях города такие автомашины получат пяти-шестикратное преимущество перед обычными автомобилями.

ВМЕСТО ТОПЛИВНОГО БАКА



Общая схема водородного двигателя понятна: электродвигатель, топливный элемент, водород (в качестве горючего). Проблема заключается в том, что нужен некий аналог топливного бака, ведь водород в топливный бак не нальешь. Это на сегодняшний день самая большая трудность.

Ученые рассматривают довольно много вариантов. Например, можно хранить водород в аккумуляторах на основе гидридов интерметаллических сплавов (TiVaFe, CuNi и др.), из которых по мере надобности постепенно высвобождается чистый водород. Но в этом варианте масса водорода в общем объеме гидрида (т. н. аспектное число) составляет всего 5%, к тому же возникает проблема со скоростью высвобождения водорода.

Можно хранить водород в жидком виде. Но, во-первых, это требует охлаждения до температур близких к абсолютному нулю, что обязательно приведет к удорожанию водорода. Во-вторых, заправленный таким образом автомобиль вынужден будет расходовать свое топливо как можно быстрее (из-за существования теплообменных процессов).

Очень перспективным направлением можно считать – хранение водорода в наноструктурах (углеродных нанотрубках), однако эти разработки находятся пока на начальных стадиях исследования.

Наиболее перспективными направлениями ученые считают: хранение водорода в баллонах высокого давления – более 350 атм. (аспектное число до 18% при давлении выше 500 атм.) или получение его прямо на борту из другого топлива (метанола или жидких углеводородов: бензина или дизельного топлива), в специальных каталитических реакторах (аспектное число около 10%). Такие системы разработаны и российскими учеными и при разумных габаритах обеспечивают запас водорода для пробега автомобиля на несколько сотен километров.

В связи с использованием в качестве топлива – водород, конструкторы сталкиваются и с другими проблемами, например, автомобиль (прежде всего кабина) должен иметь систему водородной безопасности.

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АВТОМОБИЛЯ



Топливный элемент автомобиля, работающий на водороде, - одна из ключевых деталей в новом автомобиле. Топливный элемент – это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. Преобразование химической энергии в электрическую происходит и в обычных аккумуляторах, но в топливном элементе есть два существенных отличия: 1) он работает до тех пор, пока в него поступает топливо; 2) топливный элемент автомобиля не требует подзарядки.

Топливный элемент автомобиля состоит из многих десятков ячеек, каждая примерно в сантиметр толщиной. Каждая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом. На один электрод (анод) подается топливо – водород. На другой электрод (катод) окислитель – кислород воздуха. Электрохимическая реакция окисления водорода протекает при низкой температуре в присутствии катализатора. Однако в вопросах получения качественного и недорогого электролита наука пока испытывает огромные сложности. Полимерный электролит американской фирмы «Дюпон» стоит около 700 евро за 1 м 2 , а на батарею для среднего автомобиля нужно десятки квадратных метров такого материала. Понятно, что при такой стоимости электролита невозможно наладить серийный выпуск водородных автомобилей. Учеными всего мира ведутся интересные исследования с целью удешевления электролита и использования его при более высоких температурах (150-200оС).

В общем, топливный элемент автомобиля, работающего на водороде, можно сказать, вполне готов к применению, осталось сделать его компактнее и дешевле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



Немецкий физикохимик и философ-идеалист Вильгельм Оствальд (1853-1932), горячо пропагандируя идею топливных элементов, предупреждал: иначе человечество будет погребено под промышленной и «энергетической» грязью, иначе крыши домов будут покрыты слоем копоти, а города окутаны дымом.

Оствальд был, видимо прав, предсказывая большие перспективы для электрохимической энергетики. Ныне топливные элементы и подобные им электрохимические устройства (электрохимические ячейки, ведущие фотолиз – разложение воды на водород и кислород под действием солнечных лучей) проходят полигонную обкатку, подвергаются проверке на живучесть, борются за право занять достойное место в энергетике будущего. И, судя по результатам научных и практических поисков, могут оказать определенное влияние на выбор «энергетического» сценария завтрашнего дня.

Каким будет этот сценарий, по-видимому, сегодня не скажет никто. Хотя и ясно уже что, главную роль в нем будут играть такие энерготехнологии, которые позволяют ограничить (а то и полностью исключить!) потребление невосполнимых запасов минерального топлива – прежде всего, нефти и природного газа – и которые не ведут к угрожающим здоровью людей изменениям природной среды. В этой связи, водород является одним из перспективнейших видов топлива энергетики будущего, будучи незаменимым топливом, для водородно-кислородных топливных элементов.

Литература


  1. Краткий химический справочник. Издательство Химия Ленинградское отделение 1978

  2. Настольный справочник школьника. Том 1. Издательство Весь Санкт-Петербург 2006

  3. Ю. Г. Чирков Любимое дитя электрохимии 175 с. ил. М. Знание 1985




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации