Топливные элементы

Топливные элементы (электрохимические генераторы)— устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор) и солевые (например, марганцево - магниевый элемент, цинк - хлорный аккумулятор).

А) Принцип действия

Если окислитель и восстановитель хранятся вне гальванического элемента и в процессе работы непрерывно подаются к инертным электродам (графитовым стержням, не участвующим в токообразующих реакциях, а являющихся лишь переносчиками электронов), то такой генератор может работать длительное время с постоянным значением вырабатываемого напряжения. В топливных элементах химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. Удельная энергия топливного элемента (количество вырабатываемого электричества на 1 моль количества химического вещества) значительно выше, чем у гальванического элемента.

В качестве топлива (восстановителя) в элементах используются жидкие или газообразные водород Н2, метанол СН3ОН, метан СН4, а в качестве окислителя – кислород О2 из воздуха. Электролитом служит раствор кислоты или щелочи. Устройство топливного элемента схематично представлено на рисунке:

Рисунок: Схема устройства работающего топливного элемента.

Если электролитом в топливном элементе является кислота, то в системе будут проходить следующие окислительные и восстановительные процессы:

на аноде (–): Н2 – 2ē → 2Н+;

на катоде (+): О2 + 4Н+ + 4ē → 2Н2О, следовательно,

суммарная токообразующая реакция 2Н2 + О2 = 2Н2О.

Схема работающего кислородно-водородного кислотного топливного элемента имеет вид: (–) (C)Н2|2H+||2H2O|O2(C) (+).

Если же электролитом в элементе является щелочь, то процессы несколько изменяются:

на аноде (–): 2Н2 + 4ОН– – 4ē → 4Н2О;

на катоде (+): О2 + 2Н2О + 4ē → 4ОН–, но суммарная токообразующая реакция остается прежней 2Н2 + О2 = 2Н2О.

Схема работающего кислородно-водородного щелочного топливного элемента имеет вид: (–) (С)Н2|2H2O||4OH–|O2(C) (+).

В результате протекания указанных реакций в топливном кислородно-водородном элементе генерируется постоянный ток 1,23÷1,50В.

Для уменьшения электрического сопротивления в системе применяются реагенты с высокой электрической проводимостью, либо жидкие электролиты меняются на твердые или расплавы.

В отличие от гальванических, топливные элементы не работают без вспомогательных устройств, обеспечивающих бесперебойный подвод реагентов и отвод продуктов электролиза. Для увеличения напряжения U и силы тока I в генераторе топливные элементы соединяют в батареи. В результате получается сложная система, включающая дополнительные устройства подвода и отвода реакционной смеси, поддержания и регулирования температуры, преобразователи тока и напряжения. Ее называют электрохимической энергоустановкой (ЭХЭ).ЭХЭ имеют КПД в 1,5-2,0 раза выше по сравнению с тепловыми машинами, при этом являются экологически безупречными. Именно поэтому (Н2-О2) – ЭХЭ применяют на космических кораблях, да еще и учитывая тот факт, что продукт токообразующей реакции – Н2О – служит источником питьевой воды для космонавтов. В России работают ЭХЭ и электростанции мощностью от 40кВт до 11мВт, в которых используется природное топливо (залежи природного газа и отходы нефтепереработки).

Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.

В) Пример водородно-кислородного топливного элемента

с протоннообменной мембраной (или «с полимерным электролитом»). Протонно-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода, молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями для хранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион, полиацетилен и др.) или керамической (оксидной и др.).

Дата добавления: 2014-11-25