ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Электролизеры с керамическим электролитом

В гл. 7 обсуждался топливный элемент с керамическим электролитом, * котором в качестве электролита-проводника анионов используется диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. Гарзон с коллегами предложил спользовать в электролизерах катионпроводящий керамический электролит. Э іектролизер с таким электролитом имеет рабочий диапазон температур от 450 до ' )°С. На входе поступает высокотемпературный водяной пар, а на выходе из

электролизера получается чистыи сухой водород. Высокая рабочая температ> способствует ускорению протекания реакций. В качестве примера электрс можно привести вещество SrCe0 95Yb0 05О2 975.

8.3.2. Эффективность электролизеров

Электролезер — «брат-близнец» топливного элемента. Боль: часть теоретического анализа работы топливного элемента, проведенного в гл. применима и к электролизерам. Прежде чем мы сможем провести сравне характеристик различных типов электролизеров, необходимо сказать несксл слов об эффективности этих устройств.

Как было показано ранее, эффективность идеального топливного элеме определяется отношением изменения свободной энергии AG к изменению тальпии АН в реакции окисления. Если изменение энтальпии в реакции сос, ляет известную величину АН, то количество сгенерированной электричес1' энергии будет равно AG, а количество теплоты, которое необходимо отве от системы, равно АН - AG.

Идеальный топливный элемент может работать как электролизер п условии, что все протекающие в нем процессы обратимы. Если подвесті* системе количество энергии AG, то в процессе электролиза из окружаю среды будет поглощено количество теплоты, равное АН - АС, і іроду к’ электролиза станут газы, при рекомбинации которых можно получить личество энергии, равное АН. Это означает, что идеальный электрслн действует по принципу теплового насоса. Таким образом, КПД идеальн электролизера определяется как

АН

Л =----------- . (2

AG

Очевидно, что эта величина больше единицы.

Рассмотрим установку для электролиза воды, работающую при нормальн условиях. Изменение энтальпии в реакции электролиза равно 285,9 МДж/км а изменение свободной энергии 237,2 МДж/кмоль1). Таким образом, КПД » альной установки для электролиза воды при нормальных условиях

Л = = 1,205. О

237,2

Если разделить числитель и знаменатель в формуле (25) на qneN0, то получим величины, имеющие размерность электрического напряжения. Тогда мы можем выразить КПД как отношение напряжений

(26)

где У/, — гипотетическое напряжение, генерируемое идеальным топливным элементом при условии, что весь тепловой эффект реакции ДН преобразуется в электрическую энергию. При нормальных условиях

(27)

і КПД любого электролизера, работающего при нормальных условиях можно рассчитать как

ле У — значение рабочего напряжения электролизера, В.

Так как КПД электролизера и требуемое рабочее напряжение связаны таким гростым соотношением, производители стали указывать характеристики своего борудования в переводе на рабочее напряжение или в единицах перенапряже­ния (разность между рабочим напряжением и 1,484 В). Если рабочее напряже­ние устройства меньше 1,484 В, работа электролизера проходит при температуре иже температуры окружающей среды с поглощением теплоты. Если же рабочее напряжение выше 1,484 В, то теплота выделяется, а рабочая температура элек - шзера выше температуры окружающей среды.

Количество теплоты, которой система обменяется с окружающей средой,

Q = (V - 1.484)1

Если Q < 0 , то режим работы электролизера эндотермический.

Очевидно, что рабочее напряжение электролизера зависит от силы тока, текающего через устройство. Простейшей электрической схемой замещения электролизера является цепь с последовательно включенными резистивными г лентами, на которых происходят потери электрической энергии, и генера­лом напряжения, ЭДС которого равна Уос. Вольт-амперная характеристика, итветствующая такой схеме, представляет собой прямую линию, как показа­на рис. 8.4.

Вольт-амперная характеристика электролитической ячейки, изображенная на с. 8.4, может быть описана соотношением

В данном случае Vx - I,4 В — значение напряжения, полученное экстр ляцией вольт-амперной характеристики в точку, где сила тока в электроли обращается в нуль. КПД электролизера был рассчитан по формуле (28), а ловой поток — по формуле (29). Использованная на графике шкала не по' ляет увидеть, что значения теплового потока становятся отрицательными уменьшении силы тока ниже 80 А. Обычные коммерческие модели электро. зеров (с щелочным электролитом КОН) имеют рабочее напряжение около Г (КПД около 74 %).

Электролизеры с твердополимерным электролитом (ТПЭ) имеют суш венные преимущества перед электролизерами с электролитом КОН. На рис. показана зависимость КПД от плотности тока для некоторых ТПЭ, разрабс ных в разные годы фирмой General Electric. Линии на графике соответств разным стадиям развития электролизных технологий. Быстрый прогресс в э области, осуществленный между 1967 и 1974 гг., был обусловлен прежде вс появлением улучшенных катализаторов преимущественно для анодных реа Заметим, что режим работы электролизера модели 1974 г. был эндотермичес с низкой плотностью электрического тока.

Рекомендуемый рабочий режим любого электролизера определяется эко мическими факторами. При низкой плотности тока эффективность устройс высока, т. е. при заданном количестве затраченной энергии производится бс шое количество водорода. Однако работа при низкой плотности тока приводи г

низкой самоокупаемости электролизера, так как производительность устройства оказывается малой в расчете на 1 долл. капитальных затрат на создание электро­тизера. С другой стороны, при высокой плотности тока окупаемость капитальных вложений ускоряется, но при этом увеличиваются затраты энергии, необходимой на производство водорода.

Существует оптимальное значение плотности тока, при котором стоимость чзводства водорода становится минимальной. Это значение зависит от стоимости лроэнергии, процентной ставки кредитования и т. п. (см. задачу 8.1). Утверждение производителя оборудования, что КПД электролизера состав - ет, скажем, 80 % не является достаточной информацией, по которой можно лить об эффективности устройства. Даже простейшие электролизеры будут тать с таким КПД, если поддерживать рабочую плотность тока на относи - іьно низком уровне. Хорошие электролизеры должны работать экономически т ективно при высоких плотностях тока.

Обычный высококачественный электролизер с электролитом КОН должен этать при плотности тока 4 кА/м2, тогда как устройство с твердополимерным лтролитом может работать с тем же КПД при плотности тока 20 кА/м2. Производительность электролизера N строго прямо пропорциональна силе а I в электролезере (кмоль/с)

Производительность напрямую не зависит от КПД устройства. Однако пряжение, необходимое для поддержания заданной силы тока, обратно проп ционально КПД.