Топливные элементы

Булатов Г.Р.

УГАТУ, группа ИИТ-122

Топливные элементы.

В настоящее время основной долей энергии, используемой человечеством, является химическая энергия реакции горения природного топлива: топливо + кислород = продукты окисления топлива (1)

Химическая энергия этой реакции затем превращается либо в механическую (двигатели внутреннего сгорания), либо в электрическую
(тепловые электростанции) по схеме

Химическая энергия ( теплота ( механическая энергия ( электрическая энергия

В двигателях внутреннего сгорания процесс идет до генерации механической энергии, на тепловых электростанциях – до электрической.

Недостатком существующих методов преобразования энергии является малый КПД. Особенно большие потери энергии происходят на стадии превращения теплоты в механическую работу. В силу специфической особенности теплоты она может лишь частично превращаться в работу, основная часть теплоты бесполезно рассеивается в окружающем пространстве. Поэтому фактический КПД электростанций составляет 30-40%, а транспортных установок в городских условиях 10-15%. Таким образом, 60-90% химической энергии топлива бесполезно рассеивается в окружающее пространство. Поэтому особый интерес представляет прямой путь превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию:

Химическая энергия ( электрическая энергия.

Это электрохимический путь, осуществляемый с помощью топливных элементов.

Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается непосредственно в электрическую энергию. Для этого реакция (1) в топливном элементе разбивается на стадии:

. анодное окисление топлива

. катодное восстановление окислителя (кислорода)

. движение ионов в растворе электролита

. движение электронов от анода к катоду (электрический ток)

Идея использования химической энергии окисления (сжигания) горючих веществ, в частности природного топлива, для непосредственного получения электроэнергии в гальваническом элементе уже давно привлекает внимание исследователей. В настоящее время к группе топливных элементов относят не только элементы, использующие в качестве активных материалов кислород, уголь или другие горючие материалы, но и все гальванические системы, в которых активные материалы вводятся в элемент извне по мере их расходования.

В настоящее время достигнуты успехи в области исследования и изготовления топливных элементов. Например, топливные элементы были применены на космическом корабле системы Джеминай в США.

Принцип действия топливного элемента (ТЭ)

Рассмотрим работу топливного элемента на примере водородно- кислородного элемента. В этом элементе происходит превращение химической энергии реакции горения водорода (4) в электрическую.

Химическая энергия реакции (4), равная 284 кДж/моль (при = 1 атм. и = 1 атм. и температуре 298К) может быть с невысоким КПД превращена в тепловых машинах через теплоту в электрическую энергию. Другой путь - электрохимический – может быть осуществлен в топливном элементе, схема которого приведена на рисунке:

N электрическая

- +

Н2 К+ О2

Н2

О2

Н2О ОН-

Н2 H2O

+

Н2О Анод Катод

(2) 2Н2 + 4ОН- (4Н2О+4е О2 + 2Н2О + 4е (4ОН- (3)

Суммарная реакция

2Н2 + О2 ( 2Н2О + Nэлектр (4)

Рисунок 1. Принцип действия топливного элемента.

Как и гальванический элемент, ТЭ состоит из анода и катода. К аноду подается топливо (восстановитель) в данном случае водород, к катоду – окислитель, обычно чистый кислород или кислород воздуха. Между электродами находится электролит, в качестве которого для рассматриваемого водородно- кислородного элемента используется раствор щелочи.

Схема водородно-кислородного ТЭ может быть записана в виде

(5) где Ме – проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде идет реакция окисления водорода (2), а на катоде протекает восстановление кислорода (3).

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов ОН- от катода к аноду. Суммированием реакций (2) и (3) получаем реакцию (4). Таким образом, в результате протекания реакции
(4) в цепи генерируется постоянный ток. Химическая энергия реакции (4) непосредственно превращается в электрическую энергию.

Рассмотрение водородно-кислородного ТЭ показывает, что в принципе он работает как гальванический элемент. Отличием ТЭ от гальванического элемента является то, что восстановитель и окислитель не заложены заранее в элемент, а непрерывно подводятся к электродам в процессе работы. В связи с этим электроды элемента в процессе работы не изменяются, и ТЭ в принципе может работать непрерывно, пока подводятся реагенты и выводятся продукты реакции, в то время как гальванические элементы могут работать ограниченное время, определенное запасом активных реагентов. В качестве топлива в ТЭ наряду с водородом используются гидразин (N2H4), метанол (CH3OH) и некоторые углеводороды.

Согласно первому началу термодинамики полезная внешняя работа, которая может быть произведена телом при изобарном переходе некоторой системы из состояния 1 в состояние 2, определяется формулой

A = Q1-2 + H1 – H2 (6)

где Q1-2 – теплота, подведенная в процессе 1-2; Н – энтальпия.

Химические реакции чаще всего рассматриваются как изотермические, ибо в этом случае возможно провести химическую реакцию обратимо, используя какой-либо единственный источник тепла с температурой Т (в частном случае окружающую среду с температурой Т0).

Для такого изобарно-изотермического обратимого процесса полезная работа окажется максимальной, а уравнение (6) примет вид

А = Т(S2 – S1) – (H2 – H1) = -(G, (7)

где (G=G2 – G1, G – энергия Гиббса системы.

При необратимом процессе, осуществляемом между начальными и конечными состояниями 1 и 2, полезная внешняя работа меньше максимальной на положительную величину Т0(S, равную произведению абсолютной температуры окружающей среды Т0 на прирост энтропии всей системы (производящего работу тела и окружающей среды).

Поскольку работа в ТЭ проявляется в виде электрической работы, то ее можно записать в виде произведения ЭДС (равновесного напряжения) на количество прошедшего через цепь электричества

А = Eqэ. (8)

По закону Фарадея при электрохимическом превращении 1 грамм- эквивалента вещества через систему протекает один Фарадей электричества, т.е. количество электричества, отнесенное к 1 грамм-молю реагирующего вещества, равно

qэ = zF, (9)

где F = 96500 А(с/(г(экв) = 26,8 А(ч/(г(экв) – число Фарадея, z- число электронов, участвующих при электрохимическом превращении одной молекулы вещества. Значение ЭДС обратимого топливного элемента можно записать

(10) где (Н – энтальпия реакции, (S – энтропия реакции, Т – температура, а значение максимальной полезной работы реакции при замене в выражении для G энтропии S уравнением

и

(11)

Это уравнение известно как уравнение Гиббса-Гельмгольца. Так как при постоянных р и Т (G=-Amax и (H=-Qp – тепловому эффекту реакции, происходящей в ТЭ, то уравнение (9) может быть представлено

, а выражение для ЭДС

Второй член правой части равен теплоте, поглощаемой (выделяемой) при работе ТЭ (эта величина отнюдь не равна Qp). В зависимости от знака , т.е. от характера реакции, возможны три вида ТЭ: а) работающие с выделением теплоты во внешнюю среду (S>0, E>; б) без выделения или поглощения теплоты (адиабатический режим) (S=0,
E=; в) с поглощением теплоты из внешней среды (S