Лекция 10. Топливные элементы

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ – это гальванический элемент, электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую при непрерывном поступлении окислителя и восстановителя извне.

Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два важных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.

Принцип действия. Топливный элемент состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию. Восстановителем (или «топливом») на отрицательном электроде чаще всего являются водород, гидразин, метанол, этанол, углеводороды, уголь и т.д..Окислителем на положительном электроде практически всегда служит либо чистый кислород, либо кислород воздуха.

Основными реакциями, используемыми в ТЭ являются следующие:

Н₂ + О₂ = 2Н₂ О. Создаваемая ЭДС 1,18 В, КПД=94%

2СО + О₂ = 2СО₂. ЭДС=1.33 В., КПД 91%

СН₄ + О₂ = 2СО₂ + 2Н₂ О

Работа топливных элементов сможет быть также основана на реакции окисления метанола на катализаторе в диоксид углерода. Вода выделяется на катоде. Протоны (H+) проходят через протонообменную мембрану к катоду где они реагируют с кислородом и образуют воду. Электроны проходят через внешнюю цепь от анода к катоду снабжая энергией внешнюю нагрузку.

Реакции:

На аноде CH3OH + H2O → CO2+ 6H++ 6e-

На катоде 1.5O2+ 6H++ 6e-→ 3H2O

Общая для топливного элемента:

CH3OH + 1,5O2→ CO2+ 2H2O

Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит.

Хранить метанол гораздо проще, чем водород, поскольку нет необходимости поддерживать высокое давление, так как метанол жидкость. Однако, метанол ядовит, поэтому использование таких ТЭ в бытовой технике может быть опасным.

В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.

Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.

Типы топливных элементов. Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения.

Элементы на водородном топливе. В этом типичном элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Предполагается, что элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов найдут наиболее широкое коммерческое применение.

Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами. В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.

Элементы на углеводородном и угольном топливах. Интенсивно исследуются и разрабатываются топливные элементы на сравнительно недорогих топливах, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, которые могут превращать энергию химической реакции непосредственно в электричество. Однако заметных успехов в создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из углеводородного топлива, при нормальной температуре пока не достигнуто.

Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента.

Дата добавления: 2014-01-04