ДонНТУ |
Портал
магістрів
ДонНТУ
| Резюме | Біографія |
Населення планети неухильно зростає. Демографічному сплеску супроводжує сплеск споживання ресурсів, як харчових, так і природних. Хіміки харчової промисловості та біохіміки поки успішно справляються зі створенням нових видів культур і синтетичних продуктів. З природними ресурсами, особливо енергетичними все набагато складніше. За останні півстоліття сильно зріс видобуток і споживання невідновних енергетично ефективних корисних копалин: нафти, газу і кам'яного вугілля. Період їх самостійного новоутворення вимагає дуже тривалих строків та важко досяжних умов. При нинішніх темпах споживання, через кілька сотень років, може настати період, коли спалювати буде більше нічого. Більшість людей, або не замислюється про це або вірить, що буде відкрито нове абсолютне джерело енергії. Але поки цього не сталося, слід також думати про раціоналізацію споживання, більш ефективні способи переробки і видобутку сировини, і про нові можливості енергетичного використання вуглецевих матеріалів. На мою думку, вугільний паливний елемент (ВПЕ), або DCFC - direct coal fuel cell, як прийнято називати його в англомовних джерелах, є перспективним напрямком удосконалення отримання енергії з вугілля.
Пошук нових джерел енергії та більш ефективне використання вже існуючих завжди було і залишається одним з профілюючих питань всього наукового співтовариства.
В даний момент електричну енергію з вугілля отримують через спалення його для одержання пари. Можливість прямого перетворення енергії енергетичних зв'язків вугілля в електричну енергію потенційно більш ефективна, оскільки збільшується коефіцієнт корисної дії при скороченні механічних втрат і втрат тепла.
Існує необхідність винаходу нових видів батарей локального застосування з використанням більш дешевої сировини. Використання змінних внутрішніх енергетичних носіїв батареї дозволить значно знизити ціну енергії для споживача.
I. Огляд досліджень і розробок по темі
Паливний елемент — електрохімічний пристрій, подібний гальванічному елементу, але відрізняється від нього тим, що речовини для електрохімічної реакції подаються в нього ззовні - на відміну від обмеженої кількості енергії, запасеної в гальванічному елементі або акумуляторі [1]. На даний момент всьому світу відомий і активно використовується водневий паливний елемент (ВПЕ).
У процесі горіння хімічна енергія водню переходить в теплову завдяки обміну електронами між його атомами і атомами окислювача. Цей процес проходить хаотично. Якщо в процесі хімічної реакції створити умови, при яких електрони, які віддають атоми водню при їх іонізації, рухатимуться направлено по зовнішньому контуру до атомів кисню, то отримаємо електрохімічний пристрій прямого перетворення хімічної енергії водню в електричну [2]. Ці пристрої були відкриті британцем Вільямом Робертом Гроувом.
Паливний елемент (рис. 1) складається з двох електродів, розділених електролітом, і систем підведення палива на один електрод і окислювача на інший, а також системи для видалення продуктів реакції. У більшості випадків для прискорення хімічної реакції використовуються каталізатори. Зовнішнім електричним колом паливний елемент з'єднаний з навантаженням, яке споживає електроенергію [3].
Рисунок 1 — Воднево-кисневий паливний елемент
Відомий німецький хімік Вільгельм Оствальд був переконаний в тому, що паливні елементи мають перевагу над усіма відомими джерелами енергії, що на сьогоднішній день повністю підтверджується.
Винахід двигуна внутрішнього згорання і розвиток інфраструктури видобутку запасів нафти в другій половині XIX століття загальмував розвиток паливних елементів. Новий поштовх розвитку паливні елементи отримали в 50-х роках минулого століття, коли виникла необхідність у створенні компактного електрогенератора для космічних польотів замість ядерного, з огляду на високий ризик останнього [2]. Паливні елементи забезпечували космічні кораблі електрикою і водою.
Принципи роботи вугільного і водневого паливного елемента схожі, але пристрій вугільного складніше. При спалюванні атоми палива втрачають електрони, а атоми кисню повітря набувають їх. Так в процесі окислення атоми вуглецю і кисню з'єднуються в продукти горіння - молекули вуглекислого газу. Цей процес йде енергійно: атоми і молекули речовин, що беруть участь у горінні, набувають великі швидкості, а це призводить до підвищення їх температури. Вони починають випромінювати світло — з'являється полум'я.
Хімічна реакція спалювання вуглецю має вигляд:
C + O2 = CO2 + тепло
У процесі горіння хімічна енергія переходить у теплову енергію завдяки обміну електронами між атомами палива та окислювача. Цей обмін відбувається хаотично [4].
Горіння &mdsh; обмін електронів між атомами, а електричний струм - спрямований рух електронів. Якщо в процесі хімічної реакції змусити електрони здійснювати роботу, то температура процесу горіння буде знижуватися.
Вугільний паливний елемент складається з анода, катода і електроліту (див. рис. 2). На аноді окислюється, тобто віддає електрони, відновлювач, вільні електрони з анода надходять до зовнішнього ланцюга, а позитивні іони утримуються на кордоні анод-електроліт (CO+). З іншого кінця ланцюга електрони підходять до катода, на якому йде реакція відновлення (приєднання електронів окислювачем O2-) [4]. Потім іони окислювача переносяться електролітом до катода.
Рисунок 2 — Будова вугільного паливного елемента
У вугільному паливному елементі разом зведені разом три фази фізико-хімічної системи:
У вугільному паливному елементі відбувається перетворення енергії окислювально-відновної реакції в електричну, причому, процеси окислення та відновлення просторово розділені електролітом [4].
Ці елементи були винайдені Вільямом Жако і запатентовані в США в 1896 році, патент № 555511 [5]. Винахідник побудував установки потужністю до 2 к.с. і вони періодично випробовувалися протягом декількох місяців. Енергетична установка з таких елементів показувала коефіцієнт корисної дії (ККД) до 35%, що є дуже високою величиною ККД енергоустановки навіть на сьогодні. Однак, його опоненти нібито довели, що в його елементі немає спалювання вугілля, а є тільки лише термоелектрична генерація з ККД всього 8% (хоча навіть якщо так, то це було б рекордом ККД термоелектрогенератора на той час). Після цього, його винахід було забуто до 1973 року і він не згадувалося в книгах і публікаціях. Після невдалих дослідів Бауера, проведених у Німеччині в 30-х роках, у наукових колах встановилася думка, що пряме електрохімічне окислення вугілля технічно неможливе [6]. На початку 70-х дослідницька група в США відтворила досліди Жако і переконалася в тому, що Жако дійсно створив паливний елемент.
В англомовних ресурсах зустрічається безліч інформаційних джерел з даної теми. Особливо в цьому питанні досягли успіху дві американські компанії: "SRI International" і "SARA".
SRI International — один з провідних у світі незалежних наукових дослідницьких центрів. Розташований в силіконовій долині. 14 листопада 2005 на закритому семінарі, присвяченому прямий конверсії вуглецю, головний інженер Юрій Балачов і віце президент Лоуренс Дюбой надали свою технологію вугільного паливного елемента. За їхніми словами, їх пристрій здатний працювати на вугіллі, коксі, мазуті, біомасі та органічних відходах, одержувана на ньому електроенергія в 2 рази дешевше ніж на вугільних електростанціях, а гази практично повністю складаються з чистого СО2 [7].
Scientific Applications & Research Associates (SARA) — акціонерне товариство засноване в 1989 році, займається науковими розробками з урядовим і приватним замовленням. Ця компанія займається розробками з даного питання з середини 90-х років і на даний момент надала вже третє покоління своїх вугільних паливних елементів, в яких досягнуто коефіцієнта корисної дії (ККД) в 60% і середньої вихідної потужності 16 ват протягом 540 години роботи [8].
В Україну розробок по вугільному паливному елементу ведеться набагато менше, ніж США і Японії. Серед українських вчених можна виділити члена-кореспондента Національної академії наук України Ковтуна Г.А. і кандидата хімічних наук Полункіна Є.В., які займаються проблемами пошуку альтернативних джерел енергії, доктора фізико-математичних наук Васильєва А.Д., який займається проблемами водневої енергетики.
У Росії в 2009 році група вчених з Міжнародного наукового центру з теплофізики та енергетики (МНЦТЕ) в Новосибірську заявила про розробку паливного елемента, що безпосередньо перетворює енергію вугілля в електрику, минаючи його спалювання в топках. Звичайно, вугілля повинно бути спеціально підготовлено — наприклад, подаватися у вигляді порошку. Крім того в звичайні паливні елементи на водні, вугілля не завантажиш. Дослідники пропонують використовувати пристрої, в яких працюють розплавлені карбонати металів (розплав-карбонатні паливні елементи — РКПЕ) [9]. Вони створили осередок з електродами, в якому послідовно окислюються різні сорти вугілля. Зразки вугілля поступово зникали, перетворюючись на вуглекислий газ, а вчені зафіксували протікання електричного струму, підтвердивши можливість отримання електроенергії таким чином.
У межах ДонНТУ даною темою займалася магістр Фізико-металургійного факультету Должикова Олена Віталіївна зі своїм керівником П'ятишкіним Георгієм Георгійовичем.
II. Проведення експерименту і отримані дані
Для роботи будь-якого вугільного паливного елемента необхідні наступні компоненти:
У своїй установці ми поєднали анод і паливо, використовуючи графітовий електрод. Графітовий стрижень був узятий через його відмінну електричну проводимість. Це дозволило не замислюватися про якість використовуваного палива і відразу зосередитися на оптимізації установки.
Катодом виступає склянка з нержавіючої сталі. Нержавіюча сталь є відмінним провідником і практично не схильна до корозійного впливу електроліту.
В якості електроліту виступає розплав гідроксиду натрію.
Підведення кисню до зони окислення здійснюється подачею повітря через залізну трубку. Нагнітання повітря здійснюється роботою компресора.
Принципова схема установки зображена на рис. 3.
Рисунок 3 - Принципова схема установки: 1 - штатив, 2 - електрична піч,
3 - компресор,
4 - стакан з нержавійки (катод), 5 - електроліт, 6 - повітряна трубка,
7 - графітовий електрод (анод), 8 - вольтметр, 9 - термометр з
термопарою.
Електрична піч повинна гріти до 400-500 º С. Потужність компресора і діаметр повітряної трубки повинні забезпечувати оптимальне барботування без розбризкування.
Експеримент обов'язково потрібно проводити під гарною витяжкою, щоб уникнути попадання парів лугу в дихальні шляхи. Потрібно захистити шкіру, очі і одяг від влучень бризок розплаву гідроксиду натрію. Для цього використовують засоби індивідуального захисту: окуляри, рукавички, халат і т.п.
Порядок проведення експерименту:
Для проведення досвіду були взяті такі конструктивні матеріали і речовини:
Отримані результати:
III. Розріхунок коефіцієнта корисної дії вугільного паливного елемента
Розрахунок реального коефіцієнта корисної дії будемо вести за методикою запропонованою Російським федеральним ядерним центром — ВНДІ технічної фізики імені академіка Є.І. Забабахіна, м. Снежинськ, публікація В.М. Борисова, І.Г. Лукашенко, М.А. Ахлюстіна [10].
Реакція відбувається за рівнянням:
Для паливного елемента визначають термодинамічний (ідеальний) і реальний ККД.
Стосовно до паливного елемента ідеальний коефіцієнт корисної дії (ηі) представляють у вигляді
де n -
кількість електронів, що беруть участь в реакції; F - постійна Фарадея;
ΔН - ентальпія реакції; Еср - середня різниця рівноважних
електродних потенціалів елемента при повному використанні палива або
електрорушійна сила:
Тоді
Реальний коефіцієнт корисної дії (ηр) паливного елемента визначається як
де
ηF – Фарадеєвський коефіцієнт корисної дії,
ηе – електричний коефіцієнт корисної дії.
Під фарадеевскім коефіцієнтом корисної дії паливного елемента розуміють відношення кількості електрики, реально отриманої у паливному елементі від моля відновника (qp) до теоретичної кількості електрики (qт), що визначається законом Фарадея.
Реальна кількість електрики дорівнює
де I
– сила струму, t – час роботи елементу, ν
– кількість речовини графіту.
Теоретичну кількість електрики можна визначити як
Тоді Фарадеєвський коефіцієнт корисної дії дорівнює
Електричний коефіцієнт корисної дії визначається як
де U
– напруга на елементі.
Таким чином реальний коефіцієнт корисної дії буде:
Це значення для одиничного не оптимізованого паливного елементу. Практична електростанція на паливному елементі за попередніми розрахунками зможе досягати значення коефіцієнта корисної дії в 70-75%, що в 1,5-2 рази більше коефіцієнта корисної дії теплових вугільних електростанцій.
Судячи з перших розрахунків можна з упевненістю сказати, що ідея отримання електроенергії з палива в паливному елементі, минаючи його спалювання, має право на існування. Серед поставлених цілей по роботі над даним проектом, слід виділити наступні:
Вугільний паливний елемент є екологічно чистим джерелом енергії: високий коефіцієнт корисної дії дозволить знизити витрату паливних ресурсів, в ході реакції в атмосферу виділяється тільки СО2, оксиди сірки і всіх інших елементів зв'язуються лугом.
| Резюме | Біографія |