На правах рукописи
Школьников Евгений Иосифович
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ
СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ АЛЮМОВОДОРОДНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.
Научный консультант: академик
Шейндлин Александр Ефимович
Официальные оппоненты: доктор химических наук,
профессор Скундин Александр Мордухаевич,
ИФХЭ РАН;
доктор физико-математических наук,
профессор Теруков Евгений Иванович,
ФТИ им. А.Ф. Иоффе;
доктор технических наук,
профессор Попель Олег Сергеевич,
ОИВТ РАН
Ведущая организация: Московский государственный
технический университет им. Н.Э. Баумана
Защита состоится “24” апреля 2013 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан “_____”___________2013 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета
д.ф.-м.н. А.Л. Хомкин
© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Одним из способов повышения надежности и качества энергоснабжения является использование систем аккумулирования электрической энергии. Существующие сегодня способы аккумулирования электрической энергии, не нашли широкого применения в стационарной и малой энергетике. Поэтому поиски новых путей решения проблемы остаются актуальными в современной энергетике. Одним из потенциально эффективных способов аккумулирования энергии является использование промежуточных энергоносителей, которые позволят также уменьшить затраты на экологию при распределении энергии.
Дополнительным аргументом в пользу промежуточных энергоносителей является все более широкий интерес к развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это требует разработки схем доставки энергии из регионов, где ее производство с помощью ВИЭ является наиболее эффективным, в густонаселенные энергопотребляющие регионы. Перспективным решением является использование для этой цели промежуточных энергоносителей.
Удельные экономические показатели источников энергии на основе альтернативных энергоносителей в настоящее время значительно уступают аналогичным показателям традиционной энергетики, Это побуждает искать новые пути решения задач повышения эффективности, экономичности, надежности нетрадиционных источников энергии, снижения капитальных и эксплуатационных затрат и т.п. Представленный в работе материал демонстрирует потенциальную эффективность алюминия как нетрадиционного энергоносителя в широком диапазоне мощностей источников энергии.
Рассматривается “алюмоводородный” способ использования энергии алюминия, состоящий из двух стадий: восстановление водорода из воды при окислении алюминия и использование полученного водорода для производства электрической энергии, в частности, в водородно-воздушных топливных элементах, что представляется наиболее перспективным для портативных источников тока. На уровне десятков кВт решением может стать способ гидротермального окисления промышленного дисперсного алюминия. Он позволяет получать, помимо тепловой энергии, чистый водород высокого давления при отсутствии затрат на его компремирование. Ценным продуктом реакции являются также гидроксиды алюминия, потенциально представляющие собой ликвидное сырье для различных отраслей промышленности.
Характеристики источников энергии на основе вырабатываемого с помощью алюминия водорода во многом определяются теплофизическими процессами, происходящими в пористых и дисперсных средах вплоть до масштаба одной частицы образующегося оксида алюминия. Важной особенностью работы генераторов водорода является необходимость регулирования скорости его образования. Это вызывает необходимость исследования проницаемости и переноса жидкости в пористых средах и установления корреляций со скоростью выделения водорода образующейся в ходе реакции пористой структуры оксидов. При использовании алюминия для масштабного производства энергии и водорода возникают вопросы о рациональном использовании оксидов. Разработка способов управления структурой образующихся оксидов с целью придания им заданных свойств открывает дополнительные возможности их практического применения.
Очень важной, определяющей по существу работоспособность топливных элементов с воздушными катодами и до конца не решенной на сегодня, является проблема создания катода с оптимальной пористой структурой и поверхностными свойствами. Повышение эффективности работы топливных элементов, используемых в разрабатываемых источниках тока, требует также проработки вопросов массопереноса кислорода воздуха к лимитирующему общий ток катоду.
Решение перечисленных проблем принципиально не возможно без развития надежной методологической базы в области исследования пористой структуры и изучения процессов, протекающих в пористых средах разного назначения. Концептуальной и экспериментальной проработки требует решение научно-технических и технологических аспектов создания нового типа энергоустановок – алюмоводородных источников энергии.
Цель работы:
Разработка и исследование научных и технологических основ создания эффективных алюмоводородных источников энергии.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
Анализ существующих решений по преобразованию химической энергии алюминия в полезную энергию.
Разработка нового метода исследования пористой структуры. Установление взаимосвязи характеристик пористой структуры с технологическими параметрами изготовления электродов источников тока и режимами окисления алюминия.
Исследование влияния на закономерности ламинарного течения через пористые среды температуры, вязкости, полярности и других свойств флюида, радиуса и поверхностных свойств пор.
Разработка, создание и исследование особенностей работы опытных алюмоводородных генераторов и портативных источников тока на их основе.
Анализ технологических аспектов создания алюмоводородных энергоустановок, создание и изучение опытных энергоустановок.
Технико-экономический анализ аспектов потенциального применения алюминия в энергетике.
На защиту выносятся следующие обладающие научной новизной результаты:
1. Оригинальный по принципу измерения метод получения адсорбционных изотерм, в котором в специальных условиях определяется изменение массы адсорбата без прямого измерения или задания давления его паров. Результаты тестовых измерений и расчетов распределений пор по размерам в сравнении с независимыми методами.
2. Результаты изучения особенностей формирования пористой структуры углеродных газодиффузионных воздушных электродов топливных элементов по ходу их изготовления с целью выявления влияния технологических параметров производства электродов на их характеристики.
3. Результаты изучения факторов, влияющих на скорость и степень превращения в реакциях окисления алюминия водой, и образующейся пористой структурой оксидов для целенаправленного регулирования скорости получения водорода, а также формирования структуры и других свойств оксидов с целью их потенциального использования.
4. Результаты теоретического и экспериментального рассмотрения влияния на закономерности ламинарного течения через пористые среды температуры, вязкости, полярности и других свойств флюидов, радиуса и поверхностных свойств пор. Предложенное математическое уточнение выражений для проницаемости и физическая картина течения в поре, позволяющие с единых позиций объяснить как разнонаправленные монотонные, так и экстремальные температурные зависимости проницаемости пористых сред, а также изменение реологических свойств жидкости в порах.
5. Устройство, принцип действия и результаты экспериментального изучения закономерностей работы легкосменного микрогенератора водорода картриджного типа на основе окисления активированного алюминия водой для портативных источников тока.
6. Результаты экспериментального изучения работы водородно-воздушного топливного элемента с твердым полимерным электролитом со свободным доступом воздуха в условиях регулируемого массообмена для определения оптимальных токовых нагрузок и способов подвода воздуха.
7. Результаты изучения особенностей работы системы на основе батареи водородно-воздушных топливных элементов, алюмоводного микрогенератора и металлогидридного накопителя водорода, позволяющей повысить эффективность использования алюминия в картриджах за счет увеличения скорости его окисления, накопления избытка водорода в буферном накопителе и дальнейшего использования водорода в топливных элементах.
8. Результаты анализа научно-технических принципов создания технологий, используемых в установках на основе реакторов гидротермального окисления алюминия непрерывного действия, результаты экспериментального исследования продолжительной работы в автономном режиме алюмоводородной когенерационной энергоустановки для производства электрической энергии (постоянного и переменного тока), устройство энерготехнологической установки для производства тепловой энергии, водорода и оксида алюминия.
9. Результаты анализа некоторых технико-экономических аспектов применения алюминия в энергетике при условии снижения его стоимости, в том числе, путем создания замкнутого топливного цикла использования алюминия для получения энергии у потребителя и последующей его регенерации.
Практическая и научная значимость работы
Основным практическим результатом диссертационной работы является научное обоснование технологий создания новых перспективных источников энергии, использующих алюминий в качестве топлива. Экспериментальные и расчетные результаты, полученные при создании опытных образцов портативных источников тока и энергетических установок, могут быть использованы в качестве исходных данных при разработке коммерческих алюмоводородных источников энергии.
Высокие экспериментальные возможности разработанного аппаратно простого и высокоинформативного адсорбционного метода изучения пористой структуры определяют научно-методологическую значимость работы. Метод позволяет детально исследовать особенности формирования пористой структуры широкого круга разнообразных пористых и дисперсных материалов, применяемых в научно-исследовательской и производственной практике для технологического контроля и других возможных целей.
Личный вклад автора
Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором, при его участии или под его научным руководством.
Работу в области создания алюмоводородных технологий инициировал и поддерживал академик А.Е. Шейндлин, осуществлявший также консультативную помощь, за которую автор приносит глубокую благодарность. Большую помощь и поддержку в ходе работ оказывал д.ф.-м.н А.З. Жук, за что автор выражает отдельную благодарность.
В работе принимали участие к.х.н. А.В. Илюхина, к.т.н. М.С. Власкин, Н.С. Шайтура, А.В. Лисицын, К.В. Шнепелев, Е.В. Сидорова, А.Б. Тарасенко, А.В. Григоренко, А.С. Илюхин, И.В. Янилкин, С.А. Янушко, Е.А. Киселева, Д.Е. Вервикишко и другие сотрудники ОИВТ РАН. Особая благодарность к.х.н. А.О. Малахову, а также к.х.н. И.А. Родионовой за участие и д.х.н. В.В. Волкову за поддержку работы.
Публикации и апробация работы
Диссертационная работа является итогом научных исследований и разработок автора главным образом за период с 1995 года. По материалам диссертации за этот период опубликовано около 50 статьей в реферируемых журналах и более чем 180 публикаций в сборниках трудов российских и международных конференций. Вместе с тем, для полноты описания ряда рассмотренных проблем в диссертации обобщены более ранние работы автора, относящиеся к теме диссертации, но подробно не рассмотренные в ней вследствие ограниченности объема. Всего по результатам работ автором опубликовано более 120 научных работ и получено 30 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 338 наименований. Работа изложена на 214 страницах, содержит 110 рисунков и 13 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и практическая значимость. Указывается, что представленный в работе материал демонстрирует эффективность алюминия как нетрадиционного энергоносителя в широком диапазоне мощностей источников энергии. Подчеркивается, что характеристики разрабатываемых новых источников электроэнергии на основе вырабатываемого с помощью алюминия водорода в значительной степени определяется теплофизическими процессами, происходящими в пористых и дисперсных средах вплоть до масштаба одной частицы образующегося оксида алюминия. Решение фундаментальных задач при создании алюмоводородных источников энергии принципиально не возможно без развития надежной методологической базы в области исследования пористой структуры и изучения процессов, протекающих в пористых средах разной природы и назначения. Кроме того, концептуальной и экспериментальной проработки требует решение научно-технических и технологических аспектов создания алюмоводородных источников энергии.
Глава 1 посвящена анализу аспектов возможного применения алюминия для целей энергетики, в частности, аккумулирования электрической энергии. Из рассмотрения областей применения, достоинств и недостатков существующих систем аккумулирования энергии сделан вывод, что проблема остается актуальной, что обуславливает целесообразность поиска новых путей ее решения. Одним из потенциально эффективных способов решения проблемы аккумулирования энергии является использование неорганических энергоносителей. Аккумулирование энергии в этом случае представляет собой производство энергоносителей, как правило, из окислов. Неорганические энергоносители помогут решить проблемы аккумулирования больших количеств, длительного срока хранения и безопасной транспортировки энергии.
Хотя наиболее перспективным энергоносителем считается водород, проблемы его хранения и транспортировки обуславливают целесообразность рассмотрения возможности применения твердофазных энергоносителей, в частности, алюминия, для которого эти проблемы отсутствуют. В то же время использование алюминия в качестве энергоносителя для современной энергетики является далеко не очевидным решением по технико-экономическим соображениям. Поэтому целесообразно рассмотреть те проблемы аккумулирования энергии, для которых алюминий, как энергоноситель, может стать одним из конкурентоспособных решений.
Далее анализируются известные способы преобразования химической энергии алюминия в электрическую энергию. Преодоление влияния защитной оксидной пленки алюминия в процессе намеренного окисления в составе энергетических установок представляет собой одну из основных проблем его использования в качестве энергоносителя. Поэтому в данной главе проведен обзор способов активации окисления алюминия, наиболее эффективных с точки зрения производства энергии и/или получения водорода. Ни один из рассмотренных способов активации алюминия не лишен недостатков. Тем самым минимизация стоимости переработки металла для использования в качестве источника энергии и водорода, остается весьма актуальной.
В ближайшей перспективе основной областью возможного применения механохимически активированного алюминия являются портативные источники питания, в которых водород, выделяющийся из воды по требованию, потребляется в водородно-воздушном топливном элементе. Достоинством способа гидротермального окисления алюминия применительно к энергетическим установкам является возможность использования в качестве исходных реагентов микронных порошков алюминия без активационных добавок, а также относительно высокий температурный потенциал образующейся пароводородной смеси. Из анализа следует, что данное направление является актуальным. В то же время информация о реально работающих энергоустановках на основе реакторов гидротермального окисления алюминия практически отсутствует. Это позволяет сделать вывод о целесообразности создания и изучения работы энерготехнологических установок на основе данного способа окисления алюминия.
|
