Топливные элементы

В последнее время ведется активная работа над созданием так называемых топливных элементов питания, то есть электрохимических элементов, требу­ющих в процессе работы постоянного расходования электрод­ного вещества. Собственно, идея топливных элементов не нова — по­пытки создания таких ис­точников предпринима­лись уже неоднократно. Теория топливных эле­ментов была разработа­на еще в 1839 году анг­лийским ученым Вилья­мом Гроувом, а в 60-х го­дах XX века НАСА нача­ло использовать топлив­ные элементы в космосе. В настоящее время ак­тивно разрабатываются топливные элементы пи­тания для мобильных ус­тройств (например, для ноутбуков). По прогнозам специалистов, ноутбук с топливным аккумулятором сможет работать до 20 часов без подзарядки, а для того, что­бы зарядить аккумулятор, потребует­ся лишь элемент с жидким топливом рода в присутствии щелочного раство­ра. Кислород и водород поступают в элемент сквозь пористые угольные электроды, а электродные реакции описываются уравнениями:

2H₂+4OH^-→4H₂O+4e^-

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-.

Таким образом, в результате окисли­тельно-восстановительных необрати­мых реакций образуется вода.

Рис 6-1

Рис. 6-2. Топливный элемент на кислороде и водороде

Как видно из приведенных реакций, в основе топливных элементов лежит простая реакция окисления-восстанов­ления, но происходит она не на элект­родах, а в топливе. Масса электродов в процессе работы никогда не меняет­ся, а топливо служит в качестве источ­ника свободных электронов.

В подобных топливных элементах могут использоваться различные типы топлива. В качестве окисляемых на аноде веществ вместо водорода мож­но применять углеводороды (например, метанол).

Таким образом, в результате окисли­тельно-восстановительных необрати­мых реакций образуется вода.

В отличие от традиционных аккуму­ляторов, топливный элемент не изна­шивается и служит до тех пор, пока не израсходуется все топливо, после чего для дальнейшей работы требуется лишь новая порция топлива.

Самой перспективной технологией топливных элементов в настоящее вре­мя является технология топливных ба­тарей на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). В таких топливных элементах топливом является метиловый спирт, или метанол (CH₃OH). На аноде топливного элемента, выполненного из пластинчатого углерода, происходит реакция окисления метанола, в результате которой образуются электроны, необходимые для создания постоянного тока. Побочными продуктами реакции окисления являются углекислый газ и протоны (Н⁺):

СН₃ОН+Н₂О→СО₂+6Н⁺+6е^-.

На катоде из пластинчатого углерода происходит реакция восстановления кислорода, поступающего из воздуха, в результате которой образуется вода:

3/2 О₂+6Н⁺+6е^-→3Н₂О.

Рис. 6-3. Структурная схема DMFC-топливного элемента

Дата добавления: 2014-01-07