ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Приближенный и точный расчет э. д. с. и к. п. д. топливных элементов из "Топливные элементы" В последние годы все более возрастает интерес к проблеме высокоэффективные способы преобразования энергии , возникшей на стыке физики, химии и техники. Суш,ество этой проблемы заключается в непосредственном, т. е. без промежуточных стадий, преобразовании одного вида энергии в другой при полном исключении из процесса такого вида энергии, как механическая. К рассматриваемым способам относятся, например, основанное на термоэлектрическом эффекте Зеебека непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую, прямое получение холода из электроэнергии при помощи обратного предыдущему эффекта Пельтье, прямое получение электрической энергии из световой в фотоэлементах и, наконец, непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую в так называемом топливном элементе. [c.15] Все эти физические явления и процессы в принципе уже давно известны и относятся к обычным методам получения энергии. В отличие от атомного реактора, в котором энергия получается как результат перехода одной формы материи в другую, рассмотренные выше методы характеризуются уже переходом одной формы энергии в другую согласно первому закону термодинамики. [c.15] В средней строке схемы наглядно изображен принцип работы топливного элемента прямого действия, предложенный уже в 1894 г. Оствальдом [4]. Ниже объясняется, почему этот метод, в принципе позволяющий почти полностью преобразовать химическую энергию угля X в электрическую Э, оказался слишком дорогим для обычной техники. [c.17] Нижняя строка поясняет работу топливного элемента косвенного действия. Такой элемент работает не на первичном топливе — угле, нефти или природном газе, а на специальных, пригодных для электрохимического сжигания в элементе топливах, например легко окисляющихся газах (На или СО) и жидкостях (спирт и др.). Как видно из схемы, при преобразовании первичного топлива во вторичное, например газификации угля, теряется некоторая часть энергии. [c.17] Это определение не является абсолютно точным, так как, во-первых, оно справедливо также и для живых организмов (животных и людей), а во-вторых, не распространяется на регенеративные элементы (см, фиг. 8а и разд. 1.61), подчиняющиеся циклу Карно. Однако оно является простым и практически удобным. [c.18] Процессы, происходящие как в элементе Лекланше, так и в топливном элементе, можно также определить предложенным нами термином холодное горение , получившим распространение во всем мире [5]. Действительно, батарейка карманного фонаря не нагревается при работе, так как в ней вместо теплоты Т образуется электроэнергия Э. Правда, в отношении топливного элемента этот термин довольно идеа-лизирован, так как при работе элемента, кроме электроэнергии Э, неизбежно образуется теплота Т она представляет собой тепло Джоуля или энергию поляризации. Однако даже топливный элемент, преобразующий лишь 49% химической энергии X в электроэнергию Э и 51% в теплоту Т, является прогрессом по сравнению с обычной электростанцией, которая превращает в электроэнергию Э лишь немногим более 30% теплоты сгорания топлива Т. Поэтому при определении топливного элемента не сказано образуется главным образом электрическая энергия ,, так как в случае повышения нагрузки на топливный элемент и снижения его к. п. д. с 50,1 до 49,9% определение теряло бы смысл. [c.18] Поскольку происходящее почти без потерь непосредственное преобразование теплоты сгорания топлива в электрическую энергию идентично получению электроэнергии за счет химической энергии топлива в гальваническом элементе, то можно легко определить э. д. с. и к. п. д. такого элемента. [c.18] Топливный элемент прямого действия при теплотворной способности угля —ДЯн = 97 ООО кал1моль и валентности п = 4 имеет э. д..с. Е = 97 000/4 23 100 = 1,03 в. Топливный элемент косвенного действия, в котором при получении электроэнергии идет реакция На + /гОа = НаО, имеет аналогично При —ЛЯн = 57 590 кал моль и я,= 2 э. д. с 1,25 в. Для боль шинства рассматриваемых в топливном элементе реакций э. д. с. равна примерно 1 в, что объясняется приблизительным равенством теплотворных способностей топлив, отнесенных к 1 г-экв (табл. 1.1). [c.19] Из вышесказанного можно сделать практический вывод, что водородно-кислородный топливный элемент, в котором идет реакция Нг + /гОг = НгО, для получения оптимальных характеристик—максимального напряжения и к. п. д. — должен работать при возможно более низкой температуре. [c.21] Может показаться странным, что элемент даже в идеаль--ном случае имеет к. п. д., отличающийся от е= 100%. По Планку, эта кажущаяся проблема заключается в том, что в обычной теплотехнике в основу расчетов берется первый закон термодинамики вместо второго, т. е. АЯ вместо АО. [c.22] Несмотря на простоту приведенной здесь теории расчета э. д. с. и к. п. д. холодного горения, она полностью справедлива для всех систем, за исключением регенеративных. В регенеративных системах в электроэнергию преобразуется, кроме химической, также и тепловая энергия (ср. разд. 1.61) Ё этом случае следует учесть и цикл Карно, как это сделал Бетюн [6]. [c.22] Вернуться к основной статье