Лекция 4. Топливные элементы

План

1. Основные понятия.

2. Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами.

3. Установки с электрохимическим генератором.

4. Применение топливных элементов.

1. Основные понятия

Топливные элементы (ТЭ) – это химические источники тока, в которых электроэнергия возникает за счёт химической реакции между топливом (восстановителем) и окислителем. Такие элементы могут работать длительное время, так как окислитель и восстановитель хранятся отдельно, вне элемента, а в процессе работы подаются к электродам – непрерывно и раздельно.

В качестве топлива используются жидкие и газообразные восстановители: водород, метан и другие углеводороды, метиловый спирт, гидразин; основные окислители – это кислород и перекись водорода.

Удельная энергия топливных элементов выше, чем у обычных гальванических элементов. Для большинства ТЭ ЭДС равна 1,0 – 1,5 В.

Для уменьшения внутреннего сопротивления в ТЭ применяют электроды с высокой электрической проводимостью. Для уменьшения поляризации используют электроды с высокоразвитой поверхностью, на которые наносят различные катализаторы: платину, палладий, серебро, борид никеля и другие.

2. Устройство топливных элементов (тэ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами.

Рассмотрим устройство ТЭ на примере наиболее распространенного кислородно-водородного элемента с щелочным электролитом. Превращение химической энергии в электрическую происходит при протекании реакции 2Н₂+О₂=2Н₂О. При этом генерируется постоянный ток. К аноду подводится топливо (Н₂), к катоду – окислитель (О₂ или воздух). Между электродами находится электролит – раствор щелочи (в основном КОН).

Н₂О N₂

1 2 3

Н₂ О₂ (воздух)

Рисунок 4.1. Устройство топливного элемента. 1 – анод, 2 – электролит, 3 – катод.

Схема данного элемента:

А (-) Н₂, М / КОН/ М, О₂ (+) К

Здесь М – катализатор (проводник первого рода).

Анодный процесс: Н₂ + 2 ОН^- - 2е^- = 2 Н₂О;

Катодный процесс: О₂ + 2 Н₂О + 4е^- = 4 ОН^-.

Суммарный процесс: 2 Н₂ + О₂ = 2 Н₂О.

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов от катода к аноду.

На практике также широко применяется кислородно-гидразиновый элемент, схема которого:

(-) Ni, N₂H₄ / KOH / О₂, С (+)

Здесь анодом является никелевый электрод, а катодом – графитовый стержень. При работе такого ТЭ на аноде N₂H₄ + 4 OH^- = N₂ + 4H₂O + 4 e^-, на катоде О₂ + 2Н₂О + 4е^- = 4 ОН^-. Суммарная реакция N₂H₄ + O₂ = N₂ + 2H₂O.

Вышеперечисленные ТЭ способны работать уже при комнатной температуре (их ещё называют низкотемпературными).

Другие ТЭ (с электролитами из фосфорной кислоты, полимерными ионообменными мембранами) работают при температурах от 100 до 300⁰С. У данных ТЭ на аноде: 2Н₂ – 4е^- = 4 Н⁺; на катоде О₂ + 2Н₂О + 4е^- = 4 ОН^-.

Основные проблемы при функционировании ТЭ: чистота топлива (влияющая на его окисляемость), выбор катализатора (с целью удешевления ТЭ), повышение срока службы ТЭ. Сейчас в основном водород для ТЭ получают конверсией метана: СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂.