ДонНТУ |
Портал
магистров
ДонНТУ
| Резюме | Биография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел |
Население планеты неуклонно растет. Демографическому всплеску сопутствует всплеск потребления ресурсов, как пищевых, так и природных. Химики пищевой промышленности и биохимики пока успешно справляются с созданием новых видов культур и синтетических продуктов. С природными ресурсами, особенно энергетическими все обстоит гораздо сложнее. За последние полвека сильно возросла добыча и потребление невосполнимых энергетически эффективных полезных ископаемых: нефти, газа и каменного угля. Период их самостоятельного новообразования требует очень длительных сроков и труднодостижимых условий. При нынешних темпах потребления, через несколько сотен лет, может наступить период, когда сжигать будет больше нечего. Большинство людей, либо не задумывается об этом либо верит, что будет открыт новый абсолютный источник энергии. Но пока этого не произошло, следует также думать о рационализации потребления, более эффективных способах переработки и добычи сырья, и о новых возможностях энергетического использования углеродных материалов. По моему мнению, угольный топливный элемент (УТЭ), или DCFC — direct coal fuel cell, как принято называть его в англоязычных источниках, является перспективным направлением усовершенствования получения энергии из угля.
Поиск новых источников энергии более эффективного использования уже существующих всегда был и остается одним из профилирующих вопросов всего научного сообщества.
В данный момент электрическую энергию из угля получают через сжигание его для получения пара. Возможность прямого преобразования энергии энергетических связей угля в электрическую энергию потенциально более эффективна, так как увеличивается коэффициент полезного действия при сокращении механических потерь и потерь тепла.
Необходимо изобретение новых видов батарей локального применения с использованием более дешевого сырья. Использование сменных внутренних энергетических носителей батареи позволит значительно снизить цену энергии для потребителя.
I. Обзор исследований и разработок по теме
Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе [1]. На данный момент всему миру известен и активно используется водородный топливный элемент (ВТЭ).
В процессе горения химическая энергия водорода переходит в тепловую благодаря обмену электронами между его атомами и атомами окислителя. Этот процесс проходит хаотически. Если в процессе химической реакции создать условия, при которых электроны, которые отдают атомы водорода при их ионизации, будут двигаться направлено по внешнему контуру к атомам кислорода, то получим электрохимическое устройство прямого преобразования химической энергии водорода в электрическую [2]. Эти устройство были открыты британцем Вильямом Робертом Гроувом.
Топливный элемент (рис. 1) состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию [3].
Рисунок 1 – Водородно-кислородный топливный элемент
Известный немецкий химик Вильгельм Оствальд был убежден в том, что топливные элементы имеют преимущество над всеми известными источниками энергии, что на сегодняшний день полностью подтверждается.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи запасов нефти во второй половине XIX века затормозил развитие топливных элементов.
Новый толчок развития топливные элементы получили в 50–х годах прошлого века, когда возникла необходимость в создании компактного электрогенератора для космических полетов вместо ядерного, учитывая высокий риск последнего[2]. Топливные элементы обеспечивали космические корабли электричеством и водой.
Принципы работы угольного и водородного топливного элемента схожи, но устройство угольного сложнее. 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:
C + O2 = CO2 + тепло
В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически [4].
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.
Угольный топливный элемент состоит из анода, катода и электролита (см. рис. 2). На аноде окисляется, то есть отдает электроны, восстановитель, свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2–) [4]. Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.
Рисунок 2 – Устройство угольного топливного элемента
В угольном топливном элементе вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:
В УТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом [4].
Эти элементы были изобретены Уильямом Жако и запатентованы в США в 1896 году, патент № 555511 [5]. Изобретатель построил установки мощностью до 2 л.с. и они периодически испытывались в течение нескольких месяцев. Энергетическая установка из таких элементов показывала коэффициент полезного действия (КПД) до 35%, что является очень высокой величиной КПД энергоустановки даже на сегодня. Однако, его оппоненты якобы доказали, что в его элементе нет сжигания угля, а есть только лишь термоэлектрическая генерация с КПД всего 8% (хотя даже если так, то это было бы рекордом КПД термоэлектрогенератора на то время). После этого, его изобретение было предано забвению до 1973 года и не упоминалось в книгах и публикациях. После неудачных опытов Бауэра, проведённых в Германии в 30–х годах, в научных кругах установилось мнение, что прямое электрохимическое окисление угля технически нереализуемо. В начале 70–х исследовательская группа в США воспроизвела опыты Жако и убедилась в том, что Жако действительно создал топливный элемент [6].
В англоязычных ресурсах встречается множество информационных источников по данной теме. Особенно в этом вопросе преуспели две американские компании: «SRI International» и «SARA».
SRI International – один из ведущих в мире независимых научных исследовательских центров. Расположен в силиконовой долине. 14 ноября 2005 года на закрытом семинаре, посвященному прямой конверсии углерода, главный инженер Юрий Балачов и вице президент Лоуренс Дюбой предоставили свою технологию угольного топливного элемента. По их словам, их устройство способно работать на угле, коксе, мазуте, биомассе и органических отходах, получаемое на нем электричество в 2 раза дешевле чем на угольных электростанциях, а отходящие газы практически полностью состоят из чистого СО2 [7].
Scientific Applications & Research Associates (SARA) – акционерное общество основанное в 1989 году, занимающееся научными разработками по правительственным и частным заказам. Эта компания занимается разработками по данному вопросу с середины 90–х годов и на данный момент предоставила уже третье поколение своих угольных топливных элементов, в которых достигнут КПД в 60% и средней выходной мощности 16 ватт в течение 540 часа работы [8].
В Украине разработок по угольному топливному элементу ведется гораздо меньше, чем США и Японии. Среди украинских ученых можно выделить члена-корреспондента Национальной академии наук Украины Ковтуна Г.А. и кандидата химических наук Полункина Е.В., которые занимаются проблемами поиска альтернативных источников энергии, доктора физико-математических наук Васильева А.Д., который занимается проблемами водородной энергетики.
В России в 2009 году группа ученых из Международного научного центра по теплофизике и энергетике (МНЦТЭ) в Новосибирске заявила о разработке топливного элемента, напрямую преобразующего энергию угля в электричество, минуя его сжигание в топках. Конечно, уголь должен быть специально подготовлен — например, подаваться в виде порошка. Кроме того в обычные топливные элементы на водороде, уголь не загрузишь. Исследователи предлагают использовать устройства, в которых работают расплавленные карбонаты металлов (расплав–карбонатные топливные элементы — РКТЭ) [9]. Они создали ячейку с электродами, в которой последовательно окисляли различные сорта угля. Образцы угля постепенно исчезали, превращаясь в углекислый газ, а ученые зафиксировали протекание электрического тока, подтвердив возможность получения электроэнергии таким способом.
В границах ДонНТУ данной темой занималась магистр Физико-металлургического факультета Должикова Елена Витальевна со своим руководителем Пятышкиным Георгием Георгиевичем.
II. Проведение эксперимента и полученнные данные
Для работы любого угольного топливного элемента необходимы следующие компоненты:
В своей установке мы совместили анод и топливо, используя графитовый электрод. Графитовый стержень был взят по причине его отличной электрической проводимости. Это позволило не задумываться о качестве используемого топлива и сразу сосредоточиться на оптимизации установки.
Катодом выступает стакан из нержавеющей стали. Нержавеющая сталь является отличным проводником и практически не подвержена коррозионному воздействию электролита.
В качестве электролита выступает расплав гидроксида натрия.
Подвод кислорода к зоне окисления осуществляется подачей воздуха через железную трубку. Нагнетание воздуха осуществляется работой компрессора.
Принципиальная схема установки изображена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Принципиальная схема установки: 1 –
штатив, 2 – электрическая печь, 3 – компрессор,
4
– стакан из нержавейки (катод), 5 – электролит, 6
– воздухоподводящая трубка,
7 – графитовый электрод
(анод), 8 – вольтметр, 9 – термометр с термопарой.
Электрическая печь должна греть до 400-500 ºС. Мощность компрессора и диаметр воздухоподводящей трубки должны обеспечивать оптимальный барбатаж без разбрызгивания.
Опыт обязательно нужно проводить под хорошей вытяжкой, во избежание попадания паров щелочи в дыхательные пути. Нужно обезопасить кожу, глаза и одежду от попаданий брызг расплава гидроксида натрия. Для этого используют средства индивидуальной защиты: очки, перчатки, халат и т.п.
Порядок проведения эксперимента:
ля проведения опыта были взяты следующие конструктивные материалы и вещества:
Полученные результаты:
III. Расчет коэффициента полезного действия угольного топливного элемента
Расчет реального коэффициента полезного действия будем вести по методике предложенной Российским федеральным ядерным центром - ВНИИ технической физики имени академика Е.И. Забабахина, г.Снежинск, публикация В.Н. Борисова, И.Г. Лукашенко, М.А. Ахлюстина [10].
Реакция происходит по уравнению:
Для ТЭ определяют термодинамический (идеальный) и реальный КПД.
Применительно к ТЭ идеальный КПД (ηи) представляют в виде
где n
– количество электронов, участвующих в реакции; F –
постоянная Фарадея; ∆Н – энтальпия реакции; Еср –
средняя разность равновесных электродных потенциалов элемента при
полном использовании топлива или электродвижущая сила:
Тогда
Реальный КПД (ηр) ТЭ определяется как
где
ηF – Фарадеевский КПД, ηэ –
электрический КПД.
Под фарадеевским КПД ТЭ понимают отношение количества электричества, реально полученного в ТЭ от моля восстановителя (qp) к теоретическому количеству электричества (qт), определяемому законом Фарадея.
Реальное количество электричества равно
где I
– сила тока, t – время работы элемента, ν
– количество вещества графита.
Теоретическое количество электричества можно определить как
Тогда Фарадеевский КПД равен
Электрический КПД определяется как
где U
– напряжение на элементе.
Таким образом, реальный КПД будет:
Это значение для единичного неоптимизированного ТЭ. Практическая электростанция на ТЭ по предварительным расчетам сможет достигать значение КПД в 70–75%, что в 1,5–2 раза больше КПД тепловых угольных электростанций.
Судя из первых расчетов можно с уверенностью сказать, что идея получения электроэнергии из топлива в топливном элементе, минуя его сжигание, имеет право на существование. Среди поставленных целей по работе над данным проектом, следует выделить следующие:
Угольный топливный элемент является экологически чистым источником энергии: высокий КПД позволит снизить расход топливных ресурсов, в ходе реакции в атмосферу выделяется только СО2, оксиды серы и всех других элементов связываются щелочью.
| Резюме | Биография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел |