Товарознавчі характеристики виробів, що є хімічними джерелами елекричної енергії для продукції побутового і промислового призначення
жүктеу/скачать 0,52 Mb.
|
| Рис. 1.99. Стільникоподібні сітки для різних графітних алотропних модифікацій
Характеристики металгідридних акумуляторів. Нікель-металгідридні батарейки містять нікелевий електрод, аналогічний до того, що використовується в нікель-кадмієвих батарейках як позитивний електрод, і гідроген-абсорбуючий сплав для негативного електрода. Гідроген-абсорбуючий сплав може зворотно абсорбувати і десорбувати великі обсяги водню. Гідроген-абсорбуючі сплави були відкриті у 1960-их. Металгідридні електродні матеріали вивчали у 1970-их і 1980-их роках. Найбільш інтенсивно вивчали сплави на основі LaNi5 та TiNix. Сплави типу РЗМ-Ni адсорбують великі обсяги водню навіть при кімнатній температурі. Нікель-металгідридні батареї продукують двох типів: циліндричні та призматичні. Характеристики нікель-металгідридних батарей:
розрядна ємність на 80% вища, ніж у стандартних кадмієвих батарейках. низький внутрішній опір, що забезпечує високу швидкість розряджання. значний ресурс, кількість циклів «заряд-розряд» може досягати 1000. матеріали батарейок адаптовані до навколишнього середовища. Питома ємність нікель-металгідридних батарей приблизно удвічі більша, ніж у стандартних нікель-кадмієвих батарейках. Основні характеристики батарейок залежать від фізичних і хімічних властивостей гідроген-абсорбуючого сплаву, який використовується для негативного електрода. Металгідридні ХДЕЕ на відміну від літієвих працюють з водними електролітами, що дозволяє відбирати значно вищі струми. Дослідження ХДЕЕ такого типу розпочалося після відкриття здатності до адсорбції та десорбції водню таких матеріалів, як LaNi5, SmCo5, TiFe, ZrNi2. Ці сполуки використовують як анодний матеріал, катодом служить здебільшого Ni(OH)2, електролітом − 6М розчин КОН. Електрохімічні реакції процесів заряду і розряду можна виразити такою схемою: Kатод: Ni(OH)2 + 2OH–  NiOOH + H2O + e–
(1.126) Aнод: AB5 + xH2O + xe–  AB5Hx + xOH–.
(1.127) Конструкція металгідридного ХДЕЕ має такий загальний вигляд (рис.1.100). 
Рис. 1.100. Схема металгідридного ХДЕЕ Характеристики паливних елементів. Паливні елементи дають можливість дуже ефективно й екологічно чисто виробляти електроенергію – з електричним ККД від 35% до 60% залежно від технології – особливо високим в ділянці неповного навантаження. Паливні елементи виробляють тепло й електроенергію одночасно. На даний момент розроблено й активно використовуються п’ять головних типів паливних елементів (ПЕ). За типом електроліту ПЕ класифікують на лужні, твердополімерні, фосфорнокислі, розплавнокарбонатні та твердооксидні. За робочою температурою – на низько-, середньо- і високотемпературні. До найбільш вивчених належать ПЕ з лужним електролітом (розчин їдкого калію). Як матеріал для електродів найчастіше застосовують нікель, стійкий у лужних розчинах. Для прискорення реакції використовують платинові каталізатори. Однак для ПЕ з лужним електролітом слід брати лише чисті водень та кисень, оскільки через наявність CО2 у повітрі і технічному водні відбувається карбонізація лугу. Крім того, ці установки досить дорогі. Для цивільного застосування розроблено ПЕ з фосфорнокислим електролітом (98% розчину Н3РО4). Паливні елементи такого типу працюють за температури близько 200°С. Матеріалом для електродів, стійким за цієї температури в агресивному середовищі, слугує графіт, а каталізаторами – платина та її сплави. Лужні паливні елементи, AFC (англ. Alkaline Fuel Cell) – серед найбільш технологічно розвинутих паливних елементів. Вони використовують чистий водень і кисень для виробництва електрики, води і тепла. Розроблені ПЕ з лужним електролітом можна поділити на низькотемпературні (Т<100°С) та середньотемпературні (Т=150 ÷ 260°С). Сумарну реакцію електроокислення водню в лужному розчині можна подати рівнянням:
2OH– + H2 – 2e– = 2H2O (Eo= –0.828 B) Ця реакція відбувається упродовж кількох послідовних стадій: розчинення водню в розчині, дифузія водню в зону реакції, адсорбція водню на каталізаторі (H2 → 2Hадс.), електроокислення адсорбованого водню (Hадс. + OH– – e– → H2O), відведення продуктів реакції від електрода. Сумарна реакція електровідновлення кисню в лужному розчині може бути представлена рівнянням: O2 + 2H2О – 4e– = 4OН– Водневий паливний елемент (ВПЕ) складається з двох електродів, розділених електролітом, і систем підведення палива на один електрод та окислювача — на другий, а також системи для видалення продуктів реакції. Спрощено електрохімічний процес можна описати такими рівняннями: (1.129) H2 ↔ 2H, (1.130) 2H ↔ 2H+ + 2e– Іони водню Н+ дифундують через електроліт до позитивного боку елемента. Кисень, що надходить на катод, переходить в електроліт і також реагує на поверхні електрода за участю каталізатора. При його взаємодії з іонами водню та електронами, які надходять із зовнішнього ланцюга, утворюється вода: (1.131) 1/2 O2 + 2H+ + 2e– → H2O. Вугільний паливний елемент. Принципи роботи вугільного і водневого паливних елементів схожі, але будова вугільного ПЕ складніша. Під час спалювання атоми палива втрачають електрони, а атоми кисню повітря набувають їх. Так у процесі окислення атоми вуглецю і кисню з'єднуються в продукти горіння – молекули вуглекислого газу. Цей процес відбувається енергійно: атоми і молекули речовин, що беруть участь у горінні, набувають великої швидкості, а це призводить до підвищення їх температури. Вони починають випромінювати світло – з'являється полум'я. Хімічна реакція спалювання вуглецю має вигляд: (1.132) C + O2 = CO2 + Q. У процесі горіння хімічна енергія переходить у теплову завдяки обміну електронами між атомами палива та окислювача. Твердооксидні паливні елементи, SOFC (англ. solid oxide fuel cells). Комірки SOFC працюють безпосередньо на етанолі без зовнішнього перетворення. SOFC – це повністю твердий паливний елемент, який складається із іонного електроліту, що проводить кисень, затисненого між двома електродами: катодом, або кисневим електродом, де кисень (з повітря) забирається, та анодом, або паливним електродом, де водень (із палива) окислюється. Такий тип паливного елемента працює за температури від 600 до 1000°C. Сьогодні найбільш розповсюдженим матеріалом для SOFC залишається діоксид цирконію, стабілізований оксидом ітрію. Привабливою особливістю SOFC є його екологічність та ефективне виробництво електроенергії із різних видів палива. Придатне для SOFC паливо включає водень, природний газ, біогаз, пропан, бензин, дизель, світильний газ та інші практичні палива. Паливний елемент з розплавленим карбонатом, MCFC (англ. Molten Carbonate Fuel Cell) − це високотемпературний паливний елемент, що працює при Т = 600°С і вище. Ці комірки створені у шістдесятих роках ХХ століття і були дуже дорогими через електроди, виготовлені з дорогоцінних металів. У сімдесятих роках ХХ століття їх замінили на дешевші: нікель (Ni) та його оксид (NiO) і хром (Cr). Це дозволило не тільки зменшити ціну, але і збільшити потужності з 10 мВт/см2 до 150 мВт/см2. Провідним виробником MCFC-комірок у Сполучених Штатах є FuelCell Energy. Як електроліт тепер використовують розплавлений карбонат при температурі 650°С (Li2CO3 і K2CO3), який насичує спечену кераміку LiAlO2. Реакції, які відбуваються в MCFC, коли паливом є водень: (1.133) катод: О2 + 4е– + 2СО2 2СО32– (1.134) анод: 2Н2 + 2СО32– 2Н2О + 4е– + 2СО2. Паливний елемент з фосфатною кислотою, PAFC (англ. Phosphoric Acid Fuel Cell) – тип паливного елемента, електролітом у якому є фосфатна кислота. Перевагою цього типу комірок є висока ефективність − 80%. Робоча температура PAFC становить 150-200°C. Фосфатний електроліт (100% H3PO4) міститься у пористому тефлонованому карбіді кремнію (SiC). Електроди виготовляють з пористого графіту, легованого Pt. Реакції, що відбуваються в елементі: (1.135) катод: О2 + 4е– + 4Н+ 2Н2О (1.136) анод: 2Н2 4Н+ + 4е–. **Павлюк Володимир Васильович – д-р хім. наук, професор кафедри неорганічної хімії Львівського національного університету імені Івана Франка.Дмитрів Григорій Степанович – канд. хім. наук, доцент кафедри неорганічної хімії Львівського національного університету імені Івана Франка. жүктеу/скачать 0,52 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|