Паливні елементи

Паливні элементы.

Булатів Г. Р.

УГАТУ, група ИИТ-122.

Паливні элементы.

Нині основний часткою енергії, використовуваної людством, є хімічна енергія реакції горіння природного палива: паливо + кисень = продукти окислення палива (1).

Хімічна енергія цієї реакції потім перетворюється або у механічну (двигуни внутрішнього згоряння), або у електричну (теплові електростанції) по схеме.

Хімічна енергія (теплота (механічна енергія (електрична энергия.

У двигунах внутрішнього згоряння процес йде до генерації механічної енергії, на теплових електростанціях — до электрической.

Недоліком існуючих методів перетворення є малий ККД. Особливо великих втрат енергії відбуваються на стадії перетворення теплоти в механічну роботу. З огляду на специфічної особливості теплоти вона може лише частково перетворюватися на роботу, переважна більшість теплоти марно розсіюється в навколишньому просторі. Тому фактичний ККД електростанцій становить 30−40%, а транспортних установок в міських умовах 10−15%. Отже, 60−90% хімічної енергії палива марно розсіюється в навколишнє простір. Тому особливий інтерес представляє прямий шлях перетворення енергії окислення палива на електричну энергию:

Хімічна енергія (електрична энергия.

Це електрохімічний шлях, здійснюваний з допомогою паливних элементов.

Паливними елементами називаються устрою, у яких хімічна енергія окислення палива перетворюється у електричну енергію. І тому реакція (1) в паливному елементі розбивається на стадии:

. анодное окислювання топлива.

. катод відновлення окислювача (кислорода).

. рух іонів в розчині электролита.

. рух електронів від анода до катоду (електричний ток).

Ідея використання хімічної енергії окислення (спалювання) горючих речовин, зокрема природного палива, для безпосереднього отримання електроенергії у гальванічному елементі віддавна привертає мою увагу дослідників. Нині до групи паливних елементів відносять не лише елементи, які у ролі активних матеріалів кисень, вугілля й інші горючі матеріали, але й гальванічні системи, в яких активні матеріали уводять у елемент ззовні в міру їхнього расходования.

Нині досягнуто успіхи у сфері дослідження та виготовлення паливних елементів. Наприклад, паливні елементи були застосовані на космічний корабель системи Джемінай в США.

Принцип дії паливного елемента (ТЭ).

Розглянемо роботу паливного елемента з прикладу водороднокисневого елемента. У цьому вся елементі відбувається перетворення хімічної енергії реакції горіння водню (4) в электрическую.

Хімічна енергія реакції (4), рівна 284 кДж/моль (при [pic]= 1 атм. і [pic]= 1 атм. і температурі 298К) може бути із невисоким ККД перетворено на теплових машинах через теплоту у електричну енергію. Інший шлях — електрохімічний — може бути здійснений в паливному елементі, схема якого приведено на рисунке:

N электрическая.

— +.

Н2 До+ О2.

Н2.

О2.

Н2О ОН;

Н2 H2O.

Н2О Анод Катод.

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

Сумарна реакция.

2Н2 + О2 (2Н2О + Nэлектр (4).

Малюнок 1. Принцип дії паливного элемента.

Як можна і гальванічний елемент, ПЕ складається з анода і катода. До аноду подається паливо (восстановитель) у разі водень, до катоду — окислювач, зазвичай чистий кисень чи кисень повітря. Між електродами перебуває електроліт, за який для аналізованого водороднокисневого елемента використовується розчин щелочи.

Схема водородно-кислородного ПЕ то, можливо записана в виде.

[pic](5) де Ме — провідник першого роду, грає роль каталізатора електродного процесу токоотвода.

На аноді йде реакція окислення водню (2), але в катоді протікає відновлення кисню (3).

У зовнішній ланцюга відбувається рух електронів від анода до катоду, а розчині - рух іонів ВІНвід катода до аноду. Підсумовуванням реакцій (2) і (3) отримуємо реакцію (4). Отже, внаслідок перебігу реакції (4) у ланцюзі генерується постійний струм. Хімічна енергія реакції (4) безпосередньо перетворюється на електричну энергию.

Розгляд водородно-кислородного ПЕ показує, що у принципі, він працює як гальванічний елемент. Відмінністю ПЕ від гальванічного елемента і те, що восстановитель і окислювач не закладено заздалегідь, у елемент, а безупинно підбиваються до електродах своєю практикою. У зв’язку з цим електроди елемента у процесі роботи змінюються, і ПЕ у принципі може працювати безупинно, поки підбиваються реагенти і виводяться продукти реакції, тоді як гальванічні елементи можуть працювати обмежений час, певне запасом активних реагентів. Як паливо в ПЕ поруч із воднем використовуються гидразин (N2H4), метанол (CH3OH) і деякі углеводороды.

Відповідно до першого початку термодинаміки корисна зовнішня робота, яка то, можливо зроблена тілом при изобарном переході деякою системи зі стану 1 до стану 2, визначається формулой.

A = Q1−2 + H1 — H2 (6).

где Q1−2 — теплота, підведена у процесі 1−2; М — энтальпия.

Хімічні реакції найчастіше розглядаються як ізотермічні, бо у разі можливо провести хімічну реакцію можна зупинити, використовуючи будь-якої єдине джерело тепла з температурою Т (у приватному разі довкілля з температурою Т0).

Для такого изобарно-изотермического обратимого процесу корисна робота виявиться максимальної, а рівняння (6) прийме вид.

А = Т (S2 — S1) — (H2 — H1) = -(G, (7).

где (G=G2 — G1, G — енергія Гіббса системы.

При необоротному процесі, що між початковими і кінцевими станами 1 і 2, корисна зовнішня робота менше максимальної на позитивну величину Т0(S, рівну твору абсолютної температури довкілля Т0 на приріст ентропії всієї системи (що виробляє роботу тіла, і оточуючої среды).

Оскільки робота у ПЕ проявляється у вигляді електричної роботи, що його можна записати як твори ЭДС (рівноважного напруги) на кількість котрий пройшов ланцюг электричества.

А = Eqэ. (8).

За законом Фарадея при электрохимическом перетворення 1 грамеквівалента речовини системою протікає один Фарадей електрики, тобто. кількість електрики, віднесене до 1 грамм-молю реагує речовини, равно.

qэ = zF, (9).

где F = 96 500 А (с/(г (экв) = 26,8 А (ч/(г (экв) — число Фарадея, zчисло електронів, що беруть участь при электрохимическом перетворення однієї молекули речовини. Значення ЭДС обратимого паливного елемента можна записать.

[pic] (10) де (М — энтальпия реакції, (P.S — ентропія реакції, Т — температура, а значення максимальної корисною роботи реакції при заміні у натуральному вираженні для G ентропії P. S уравнением.

[pic]и [pic].

[pic](11).

Це рівняння відомий як рівняння Гиббса-Гельмгольца. Бо за постійних р і Т (G=-Amax і (H=-Qp — тепловому ефекту реакції, яка відбувається у ПЕ, то рівняння (9) то, можливо представлено.

[pic], а вираз для ЭДС.

[pic].

Другий член правій частині дорівнює теплоту, поглощаемой (виділеної) при роботі ПЕ (їх кількість зовсім на дорівнює Qp). Залежно від знака [pic], тобто. від характеру реакції, можливі три виду ПЕ: а) хто з виділенням теплоти в навколишнє середовище (S>0, E>[pic]; б) без виділення чи поглинання теплоти (адиабатический режим) (S=0, E=[pic]; в) з поглинанням теплоти із зовнішнього середовища (S.