1) Реакция окисления цинка на аноде: Zn − 2e− ↔ Zn;
2) реакция восстановления ионов меди на катоде: Cu2+ + 2e− ↔ Cu;
3) Движение электронов во внешней цепи;
4) Движение ионов в растворе: анионов (so42−) к аноду,
катионов (Cu2+, Zn2+) к катоду.
Максимальная разность потенциалов электродов,
которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Она равна разности потенциалов катода и анода элемента.
Таким образом, в гальваническом элементе
возникает движение электронов во внешней цепи
и ионов внутри элемента,
что эквивалентно превращению химической энергии в электрическую.
Топливные элементы
Это гальваническая ячейка,
вырабатывающая электроэнергию за счет
окислительно-восстановительных превращений реагентов,
поступающих извне.
При работе топливного элемента
электролит и электроды не расходуются.
В нем химическая энергия топлива
непосредственно превращается в электроэнергию.
Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива
в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике.
В простейшем топливном элементе,
где используются чистый водород и чистый кислород,
на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3).
Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны.
После того, как водород поступит на анод,
а кислород - на катод, начинается химическая реакция,
в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует
и теряет электроны. Ионы водорода (протоны)
проводятся через электролит к катоду,
в то время как электроны пропускаются
электролитом и проходят по внешней электрической цепи,
создавая постоянный ток,
который может быть использован для питания оборудования.
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется
с электроном (который подводится по внешней цепи)
и пришедшим через электролит протоном,
и образует воду, которая является единственным
продуктом реакции (в виде пара или жидкости).
Ниже приведена соответствующая реакция:
Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e- Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты реакции в виде воды отводятся от них.
Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом с образовании воды. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.
Первая электрическая энергия была получена с помощью ТЭ еще в 1839 г.
В 70-80-е годы применены 10-киловаттные
топливные элементы для "Шаттла".
У нас такие установки разрабатывались
для программы "Буран" в НПО "Энергия",
в те же годы были построены электростанции
мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах.
В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.
С 1990-х годов и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики.
Сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов.
Основные типы топливных элементов приведены в таблице 2.
Использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к увеличению ресурса топливных элементов.
Полимерная мембрана Nafion, применяемая в ТПТЭ, в США и Канаде производится фирмой "Дюпон",
в России аналогичные мембраны выпускает фирма "Пластполимер".
Выше приведен пример топливного элемента,
в электролите которого перенос заряда осуществляется
ионами водорода (см. рис. 3).
В других топливных элементах носителями заряда
могут выступать ион кислорода, радикал ОН- или СО3-
окислителями могут быть кислород либо воздух (рис. 4).
Сейчас в мире активно разрабатываются
твердополимерные топливные элементы на водороде.
Считается, что они будут применяться в основном на автотранспорте.
Пока их стоимость довольно высокая: