Топливные элементы (стр. 1 из 5)
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 
Н2ООН- 
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) = -DG, (7)
где DG=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 Т0DS, 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