Нічого цікавоМоже бутиНормальноДобреДуже цікаво (2 голосів, середній: 5,00 з 5)
Loading...Loading...
Кількість переглядів: 358

Джерела електричної енергії: вироби, хімічні властивості, товарознавчі характеристики

Хімічні джерела струму – це джерела електричної енергії, яка виробляється шляхом конвертації хімічної енергії в електричну, що складаються з одного чи декількох неперезаряджуваних первинних елементів або перезаряджуваних вторинних елементів (акумуляторів), у тому числі інтегрованих у вироби промислового чи побутового призначення.

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Товарознавчі характеристики виробів, що є хімічними джерелами елекричної енергії для продукції побутового і промислового призначення”

Перше хімічне джерело струму  сконструював італійський вчений Алессандро Вольта у 1800 році. Елемент Вольта складався із мідної та цинкової пластин, занурених у солону воду. Згодом Вольта з’єднав елементи у батарею, яку ще називають стовпом Вольта. У 1836 році англійський хімік Джон Даніель удосконалив елемент Вольта, помістивши мідний та цинковий електроди у розчин сульфатної кислоти. Ця конструкція дістала назву «елемента Даніеля». У 1859 році французький фізик Гастон Планте винайшов свинцево-кислотний акумулятор. Цей тип елемента і сьогодні використовується в автомобільних акумуляторах. 1866 року французький хімік Жорж Лекланше створив свій гальванічний елемент (елемент Лекланше), який складається із цинкового стаканчика, заповненого водним розчином хлорид амонію, у який занурений електрод із манган (IV) оксиду марганцю із графітовим струмовідводом. Модифікація цієї конструкції досі також використовується у сольових батарейках для різних побутових пристроїв. У 1890 році у Нью-Йорку Конрад Губерт створює перший кишеньковий електричний ліхтар, використавши елемент Лекланше. А вже у 1896 році компанія National Carbon започатковує серійне виробництво перших у світі сухих елементів Лекланше «Columbia». У 1899 році Вальдемар Юнгнер опрацював перші взірці нікель-кадмієвих акумуляторів (Ni-Cd), а у 1946 році розпочато виготовлення герметичних нікель-кадмієвих акумуляторів. Починаючи із 1960 року, на ринку з’являються лужні марганцево-цинкові елементи. 1970 року стартувала ера літієвих хімічних джерел струму. Масове виробництво металогідридних акумуляторів (Ni-MH) налагоджено у 1990 році [1−5].

В основі товарознавчих характеристик хімічних джерел електричної енергії лежать базові електричні характеристики, на яких ґрунтуються і подальші економічні показники хімічних джерел електричної енергії як товару. Нижче наведено їх перелік.

 

Електрорушійна сила ∆ε (ЕРС) – це різниця термодинамічних потенціалів ХДЕЕ при рівноважних умовах:

 

,

де ε – електрорушійна сила джерела енергії;

ЕК – термодинамічний потенціал катода;

ЕA – термодинамічний потенціал анода.

 

(1.116)

Електрорушійна сила ХДЕЕ пов’язана з вільною енергією Гіббса таким співвідношенням:

 

.

 

(1.117)

Звідси                ,

 

де ∆G – вільна енергія Гіббса;

H – зміна ентальпії сумарної струмоутворювальної реакції;

T – температура;

S – зміна ентропії сумарної струмоутворювальної реакції;

z – кількість електронів, які беруть участь в елементарному акті реакції;

F – число Фарадея.

Напруга розімкненого кола (UРК) включає суму потенціалів на границі різних металів зовнішнього електричного кола. Достатньо довго ЕРС і UРК вважали тотожними, однак звично ЕРС > UРК. Це зумовлено або нестехіометричністю активних матеріалів, або варіаціями у складі електроліту джерела.

Номінальна розрядна напруга (Uрозр) – усереднена величина між початковою (Uп) та кінцевою (Uк) напругами при розряді заданим струмовим навантаженням за визначених умов.

Розрядний струм (Ір) – це струм, який протікає у замкнутому колі при підключення зовнішнього джерела споживання електричної енергії (розрядне навантаження). Процес розряду можна проводити при різних навантаженнях, тобто у замкнутому електричному колі протікатиме струм заданої величини.

Номінальна розрядна ємність (C) – це кількість електрики, яку ХДЕЕ віддає для досягнення заданої кінцевої розрядної напруги за визначених умов. При проведенні розряду у гальваностатичному режимі розрядна ємність визначається як добуток сили струму I на час розряду t:

 

(1.118)

.

 

Одиницею вимірювання є ампер·година (А·год).

Питома ємність (с) – це кількість електрики, яку ХДЕЕ віддає для досягнення заданої кінцевої розрядної напруги, віднесена до маси джерела:

 

(1.119)

,

 

де I – сила розрядного струму;

t – час розряду;

m – маса джерела.

Вимірюється питома ємність у А·год/кг або мА·год/г.

Питома енергоємність (W) – це кількість електричної енергії, яка припадає на одиницю маси або об’єму ХДЕЕ:

 

(1.120)

,

 

або

 

(1.121)

,

 

де Uрозр – номінальна розрядна напруга;

I – сила розрядного струму;

t – час розряду;

с – ємність джерела;

V – об’єм джерела.

Вимірюють питому енергоємність у Вт·год/кг або Вт·год/л і використовують для порівняння та оцінки хімічних джерел струму. Порівняння енергетичних характеристик деяких первинних та вторинних джерел струму наведено у табл. 1.80.

Внутрішній опір (Ri) – параметр, який включає омічну і поляризаційну складову. Величина внутрішнього опору залежить від провідності електроліту і електродних матеріалів, розмірів та конструкції ХДЕЕ. Чим менше значення внутрішнього опору, тим більший струм може віддати джерело. Зазвичай, чим більші розміри ХДЕЕ, тим менше значення його внутрішнього опору і більша потужність.

Таблиця 1.80

Енергетичні характеристики деяких типів ХДЕЕ

 

ХДЕЕ

Питома енергоємність, Вт·год/кг

Теоретична,

Вт·год/кг

Практична

Вт·год/кг

Вт·год/л

Zn // MnO2

336

50-80

120-150

Cd // Ni(OH)2

209

50

100

Zn // Ni(OH)2

209

60

180

PbO2 // Pb

170

30

50

Ni-MH

380

60

80

Li-ion

500-550

150

220

 

 

Омічну складову внутрішнього опору можна виміряти таким чином. При навантаженні джерела струмом і1 за декілька секунд заміряють значення напруги U1, а потім збільшують струм до величини і2 і заміряють зменшену напругу U2. Омічну складову внутрішнього опору Ri визначають за формулою:

 

(1.122)

.

 

Оцінити приблизну величину внутрішнього опору можна також за величиною струму короткого замикання (Ік.з.).

Точніше визначити внутрішній опір можна на основі імпедансних вимірювань.

Як було зазначено вище, електричні характеристики хімічних джерел електричної енергії лежать в основі експлуатаційних, інакше кажучи, товарознавчих характеристик, серед яких основними є такі: термін дії, ресурс, збереженість заряду, температурний інтервал роботоздатності джерела, токсичність та інші (табл. 1.81).

Термін дії ХДЕЕ – інтервал часу, протягом якого джерело зберігає паспортні характеристики, які подає підприємство-виробник. Термін дії сучасних ХДЕЕ − 3-5 років, але для окремих типів може сягати десятиріч.

Ресурс ХДЕЕ оцінюють кількістю заряд-розрядних циклів, які повинен витримати акумулятор. Ресурс акумулятора залежить від глибини розряду, наприклад, при глибині розряду 30% нікель-кадмієва батарея має ресурс 2000 циклів, при глибині розряду 80% – 800 циклів, а при 100% – 500 циклів.

Таблиця 1.81

Експлуатаційні характеристики деяких типів ХДЕЕ

 

ХДЕЕ

Ресурс

(кількість циклів )*

Термін дії (роки)

Саморозряд

(%/місяць)

Температурний інтервал

(оС)

Токсичність компонентів

Zn // MnO2

500

5

2

-10 + 65

низька

Cd // Ni(OH)2

2000

5

15-20

-20 + 45

висока

Zn // Ni(OH)2

500

3

15-20

-10 +50

середня

PbO2 // Pb

500

3

3-5

-30 +50

висока

Ni-MH

800

3

20-30

-10 + 40

середня

Li-ion

800-1000

3-5

8-15

-20 + 60

середня

 

Примітки: *при глибині розряду 30%.

 

Збереженість заряду ХДЕЕ – це властивість джерела зберігати ємність за час зберігання при розімкненому зовнішньому колі. Мірою втрати ємності за час зберігання є величина відносного саморозряду St (%):

 

(1.123)

,

 

де С0 – ємність у попередньому циклі «заряд-розряд»;

Сt – ємність через час t при тих самих умовах розряду.

Саморозряд спричинений як електрохімічними властивостями, так і конструкційними особливостями джерела.

З часом при неправильній експлуатації деяких типів акумуляторів (наприклад, нікель-кадмієвого) проявляється ефект пам’яті – часткова втрата ємності унаслідок неповного розряду батареї перед встановленням її на заряд. Цей ефект призводить також до зменшення ресурсу джерела. 

Суттєвими є і економічні характеристики енергії, яку виробляють ХДЕЕ, а саме її собівартість. Вартість енергії, одержаної від ХДЕЕ, значно перевищує вартість енергії, одержаної від гідроелектростанцій та теплоелектростанцій.

Бурхливий розвиток електроніки, значне збільшення виробництва автомобілів та створення електромобілів спричинили інтенсифікацію дослідження та виробництва хімічних джерел електричної енергії.

Найбільшу вагу серед первинних ХДЕЕ традиційно займають марганцево-цинкові джерела струму. У галузі автомобільних батарей, безперечно, лідером є свинцеві акумулятори. Серед побутових ХДЕЕ лідирують літієві та металогідридні акумулятори, хоча перші мають тенденцію до значного збільшення їх виробництва. Причиною цього є те, що більшість виробників мобільних телефонів, ноутбуків та іншої побутових пристроїв використовують літій-іонні ХДЕЕ.

На рис. 1.94 представлено розподіл світового ринку хімічних джерел електричної енергії, а на рис. 1.95. світовий обсяг продажу побутових хімічних джерел електричної енергії.

 

 

 

Рис. 1.94. Розподіл світового ринку ХДЕЕ

 

Останнім часом у продаж надходять електромобілі, які переважно оснащені літій-іонними акумуляторами. Сучасна промисловість має надлишкові потужності для виробництва батарей загальною ємністю близько 10 ГВт×год. Цієї ємності достатньо для оснащення приблизно 400 тисяч електромобілів. Але можливості виробництва значно перевищують попит. Більше того, очікується, що до кінця 2014 року надлишкова потужність становитиме вже 18 ГВт×год. За прогнозом аналітичного центру Bloomberg New Energy Finance (BNEF), до 2030 року вартість однієї кіловат-години ємності акумуляторних батарей для електромобілів знизиться до $150. Оскільки, вартість батареї ($8000-10000) зараз становить не менше чверті ціни нового електромобіля, неважко підрахувати, як це відіб'ється на ціні найбільш популярних моделей. За даними BNEF, середня ціна літій-іонних батарей для електричних транспортних засобів у 2011 році знизилася на 14%. Ціна однієї кіловат-години ємності акумуляторів у 2014 році становить $650, тоді як декілька років тому вона становила $800. Якщо порівнювати з 2009 роком, то падіння ще помітніше – 30%.

 

 

 

Рис. 1.95. Світовий обсяг продажу побутових ХДЕЕ

 

Згідно з даними американського консалтингового агентства McKinsey, сьогодні вартість вироблення 1 кВт×год в літій-іонних батареях General Motors (GM) коливається в межах $500-600, таким чином, батарея ємністю 16 кВт×год, використовувана в Chevrolet Volt і Opel Ampera, коштує $8000 за ціни електромобіля $41000. Автори доповіді агентства McKinsey стверджують, що до 2020 року вартість батареї впаде до $2560 ($160 за 1 кВт×год), що знизить ціну самого електромобіля на 30-40%. Автори дослідження запевняють, що вже у 2015 році витрати на виробництво літій-іонних акумуляторів для електромобілів скоротяться на 30% у зв'язку з удосконаленням виробничих процесів (наприклад, завдяки використанню нових розробок, що скорочують виробничі витрати, і стандартизації обладнання). Крім того, розвиток технології використання електроліту зможе підвищити ємність батареї на 80%, а скорочення кількості компонентів в акумуляторі − знизити кінцеву вартість батареї приблизно на 45% порівняно з її вартістю у 2012 році.

Літій – основний елемент у виробництві акумуляторів, на які неухильно зростає попит. Їх використовують у мобільних телефонах, ноутбуках, цифрових камерах, електромобілях тощо. На думку експертів, усе ширше використання електромобілів може перетворити літій на «нафту третього тисячоліття». Родовища літію промислового значення у нашій країні розвідані на Донбасі та в Кіровоградській області. Перспективним для видобутку вважається також Бийганське родовище на Закарпатті. Відтак експерти вважають, що перетворення України з імпортера літієвої продукції на експортера цілком реальне. Інтерес до цієї теми можуть виявити європейські автовиробники, для яких завод в Україні був би значно вигідніший, ніж, скажімо, у Південній Америці, де літій вже давно видобувають.

Незабаром у Дніпропетровську може з'явитися завод з виробництва акумуляторів XXI століття. Китайська компанія Lishen Battery веде переговори з найбільшим в Україні виробником акумуляторів − компанією Westa. Українська компанія Westa входить до п'ятірки найбільших виробників акумуляторів у Європі. На українському ринку її частка становить 33%. Китайська ж компанія з активами більш ніж мільярд доларів за підсумками 2011-го увійшла до десятки найбільших світових виробників літієвих батарей з часткою ринку 6%.

Хімічні джерела електричної енергії історично поділяють за різними характеристиками: за перебігом електрохімічного процесу, за енергетичними характеристиками, за розміром тощо.

За перебігом електрохімічного процесу ХДЕЕ поділяють на первинні і вторинні. У первинних джерелах протікає необоротна електрохімічна реакція, а у вторинних – оборотна. Первинні ХДЕЕ називають ще гальванічними елементами. Гальванічний елемент – хімічне джерело струму, назване на честь Луїджі Гальвані. Принцип його дії базується на електрохімічній взаємодії двох металів через електроліт, що спричинює виникнення у замкнутому колі електричного струму. До вторинних джерел струму належать акумулятори. Окрему групу становлять електрохімічні генератори – паливні елементи.

Класифікацію ХДЕЕ за енергетичним діапазоном та галузями практичного використання відображає табл. 1.82.

Таблиця 1.82

Класифікація ХДЕЕ за енергетичними діапазоном та галузями використання

 

Енергетичний діапазон

Тип

Приклади ХДЕЕ

Застосування

100 мВт·год.–2 Вт·год.

Мініатюрні батареї

Zn-MnO2,

Zn-Ag2O,

Li-I2

Електронні годинники, калькулятори,  імплантовані медичні пристрої

2 100 Вт·год.

Батареї для побутової техніки та портативних пристроїв

Zn-MnO2,

Zn-HgO,

Cd-Ni(OH)2,

металгідридні,

літієві ХДЕЕ

Радіо-, телеприймачі, мобільні телефони, фото та відеоапаратура, електроінструмент, іграшки

100–600 Вт·год.

 

Стартерні батареї

Pb-PbO2,

Cd-Ni(OH)2

Автомобільна та тракторна техніка

15–650 кВт·год.

 

3 МВт·год.

Тягові батареї

Pb-PbO2,

Zn-O2,

металгідридні

 

Електронавантажувачі, електромобілі, локомотиви,

підводні човни

250 Вт·год–5 МВт·год.

Стаціонарні батареї

Pb-PbO2,

Cd-Ni(OH)2

Локальні енергетичні накопичувачі,  резервні енергетичні установки

5–100 МВт·год.

 

Батареї для нівелювання  пікових навантажень

Pb-PbO2,

Na-S,

Li-FeS

Національні та локальні енергетичні системи

Хімічні джерела електричної енергії можна також класифікувати за формою та розміром. Мініатюрні батареї та батареї для побутової техніки і портативних пристроїв виготовляють дискової (таблеткові елементи для годинників і мікропроцесорних плат), циліндричної та призматичної форм (батареї для фото, аудіо- та відеоапаратури, мобільні телефони, батареї для ноутбуків і.тощо)

У промислових масштабах побутові ХДЕЕ випускають типорозмірів, які відповідають стандартам, визначеним Міжнародною електротехнічною комісією (МЕК, англ. International Electrotechnical Commission, IEC). МЕК – міжнародна організація стандартизації в галузі електричних, електронних та суміжних технологій, яка узгоджує стандарти із Міжнародною організацією зі стандартизації (ISO). Окрім назв типорозмірів ХДЕЕ згідно з МЕК використовують також назви за національним державним стандартом (ДСТ) та поширені американської назви. Загальновживані ХДЕЕ циліндричної та призматичної форм мають також і побутові назви (табл. 1.83).

Таблиця 1.83

Стандартні розміри та назви побутових ХДЕЕ циліндричної та призматичної форм

 

Ромір (мм)

Назва згідно з МЕК

Назва за ДСТ

Американська назва

Побутова назва

47.8 × 16

 

 

А

 

54.1 × 19

 

 

B

 

46.0 × 23.9

R14

343

C

 

57.2 × 31.8

R20

373

D

велика

42.9 × 9.9

R03

286

AAA

пальчикова, тонка

47.8 × 13.5

R6

316

AA

пальчикова

3.3 × 11.4

 

 

O

 

26.9 × 11.2

 

 

N

 

33.3 × 13.5

 

 

R

 

47.8 × 41

3R12

3336

 

квадратна (4.5 В)

 

6LR61

 

 

Крона (9 В)

 

У назвах МЕК перед літерою R можуть стояти літери, які означають тип джерела, наприклад, H – металогідридна батарея, L – лужна та інші.

Характеристики літій-іонних акумуляторів. Перспективність використання літієвих ХДЕЕ підтверджується при порівнянні їх енергетичних характеристик з різними джерелами струму (рис. 1.96).

 

 

Рис. 1.96. Енергетичні характеристики хімічних джерел струму

 

Реверсна інтеркаляція графіту літієм та інтеркаляція катодних оксидів була вперше вивчена в 1970-х роках австрійським вченим Юргеном Бесенхардом. Первинні літієві батареї з металевими анодами літію є небезпечними, тому для літій-іонних батарей обидва електроди виконані з матеріалу, що містить іони літію в неметалевій матриці. У 1979 році в Оксфордському університеті Джон Гуденаф та Коїчі Міцушіма продемонстрували акумулятор з напругою 4 В з використанням літій кобальт-оксиду (LiCoO2) як катода і металевого літію як анода. У 1977 році літієвий металевий анод був замінений на інтеркальований літієм графітовий електрод (LiC6). Перший промисловий літій-іонний акумулятор розробила корпорація Sony в 1991 році. Енергетична ємність: 110 – 200 Вт×год/кг. Максимальна напруга в елементі: 4.18 – 4.20 В (повністю заряджений). Спочатку як анод застосовували кам'яновугільний кокс, зараз використовують графіт. Як катод застосовують оксиди літію з кобальтом або марганцем. Під час заряду літій-іонних акумуляторів відбуваються такі реакції:

−  на позитивних пластинах:

 

(1.124)

LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe

 

(1.125)

 на негативних пластинах:

 

С + xLi+ + xe → CLix  (х=0 – 0.167)

Під час розряду відбувається зворотна реакція.

Переваги літій-іонних хімічних джерел електричної енергії:

−  висока енергетична ємність

−  низький саморозряд

−  відсутність ефекту пам'яті

−  простота обслуговування

−  низька питома вага.

Цей тип акумулятора поширений у сучасній побутовій та електронній техніці. Зокрема найпопулярніший тип акумуляторів у таких пристроях, як мобільні телефони, ноутбуки, цифрові фотоапарати, відеокамери та електромобілі.

На рис. 1.97. представлено схему літій-іонного акумулятора, а на         рис. 1.98 залежність номінальної напруги літій-іонного хімічного джерела електричної енергії від вмісту літію у LiCoO2.

 

 

 

Рис. 1.97. Схема літій-іонного акумулятора

 

Хоча графіт вважається найсучаснішим матеріалом для негативного електрода в літій-іонних елементах, в основному через свою високу оборотність і низький потенціал, однак, ці аноди володіють посередньою швидкістю процесів заряд/розряд, що призводить до транспортно-індукованих структурних ушкоджень поверхні при тривалому циклюванні. Об'ємна дифузія літію в графітовий вуглець ще не повністю вивчена, зокрема через складність вимірювання об'ємних властивостей транспорту іонів літію в неізотропному матеріалі. Наявні літературні дані [16] показують високий коефіцієнт дифузії іона літію в напрямку, паралельному площині графена (10-7–10-6 см2/с), порівняно з млявим перенесенням іонів літію на межах зерен (10-11 см2/с), що вказує на можливість раціонального проектування вуглецевих матеріалів і композитних електродів з дуже високою дифузійною швидкістю.

 

 

Рис. 1.98. Залежність номінальної напруги від вмісту літію у LiCoO2

 

Останнім часом великі надії покладаються на графен, який є двовимірним листом з sp2-гібридизацією атомів карбону. Стільникоподібна сітка є основним будівельним блоком в усіх графітних алотропних модифікаціях: вона може бути укладена в різний спосіб – 3D (графіт), 2D (графен), 1D (нанотрубки), 0D (фулерени) (рис. 1.99).

Електрохімічні дослідження [17] виявили, що графенові листи з тонкою зморшкуватою папероподібною структурою (~4 шарів) мають велику питому площу поверхні (492.5 м2/г) з оборотною питомою ємністю, вищою ніж 1264 мА.год/г при щільності струму 100 мА/г. Навіть при високій щільності струму 500 мА/г питома ємність залишилася 718 мА.год/г. Після 40 циклів оборотна ємність зосталася на тому ж рівні. Ці результати показують, що високо якосні графенові листи володіють доброю електрохімічною здатністю для зберігання літію.

 

 

 

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:

 

 

(1.126)

Kатод: Ni(OH)2 + 2OH NiOOH + H2O + e

 

 

 

(1.127)

Aнод: AB5 + xH2O + xe AB5Hx + xOH.

 

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:

 

(1.128)

 

 

 

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.

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Товарознавчі характеристики виробів, що є хімічними джерелами елекричної енергії для продукції побутового і промислового призначення”


Publisher: Team EPMPD  

Додати коментар

Ваш e-mail не буде опублікований. Обовязкові поля відмічені *

Можна використовувати наступні HTML-теги і атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>