Устройство топливного элемента

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, и у них нет такого жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Соответственно, они могут иметь очень высокий коэффицент преобразования химической энергии в электрическую.

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.

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 %.

72. Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ)

— источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Основу химических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель, и катод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются: в качестве восстановителя (на катоде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы; в качестве окислителя (на аноде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие; в качестве электролита — растворы щелочей, кислот[1] или солей.

Зависимость ЭДС от температуры Т можно рассчитать по уравнению

где ΔS изменение энтропии при протекании токообразующей реакции.

С повышением температуры ЭДС элемента возрастает, если изменение энтропии реакции положительно, и уменьшается, если изменение энтропии реакции отрицательно. Для расчета ЭДС при разных температурах можно воспользоваться уравнением

где ΔH изменение энтальпии при протекании токообразующей реакции. При расчетах ЭДС в широком интервале температур нужно учитывать зависимости АН и AS от температуры.

В соответствии со вторым принципом термодинамики произведение TAS выражает ту часть полной энергии реакции, которая может быть превращена только в теплоту. Соответственно теоретическое значение количества теплоты, выделяемой или поглощаемой элементом в равновесных условиях (при разряде бесконечно малым током), выражается уравнением

Или

Где

Дата добавления: 2014-12-24