А) Принцип действия
Если окислитель и восстановитель хранятся вне гальванического элемента и в процессе работы непрерывно подаются к инертным электродам (графитовым стержням, не участвующим в токообразующих реакциях, а являющихся лишь переносчиками электронов), то такой генератор может работать длительное время с постоянным значением вырабатываемого напряжения. В топливных элементах химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. Удельная энергия топливного элемента (количество вырабатываемого электричества на 1 моль количества химического вещества) значительно выше, чем у гальванического элемента.
В качестве топлива (восстановителя) в элементах используются жидкие или газообразные водород Н2, метанол СН3ОН, метан СН4, а в качестве окислителя - кислород О2 из воздуха. Электролитом служит раствор кислоты или щелочи. Устройство топливного элемента схематично представлено на рисунке:
Рисунок: Схема устройства работающего топливного элемента.
Если электролитом в топливном элементе является кислота, то в системе будут проходить следующие окислительные и восстановительные процессы:
на аноде (-): Н2 - 2з ? 2Н+;
на катоде (+): О2 + 4Н+ + 4з ? 2Н2О, следовательно,
суммарная токообразующая реакция 2Н2 + О2 = 2Н2О.
Схема работающего кислородно-водородного кислотного топливного элемента имеет вид: (-) (C)Н2|2H+||2H2O|O2(C) (+).
Если же электролитом в элементе является щелочь, то процессы несколько изменяются:
на аноде (-): 2Н2 + 4ОН- - 4з ? 4Н2О;
на катоде (+): О2 + 2Н2О + 4з ? 4ОН-, но суммарная токообразующая реакция остается прежней 2Н2 + О2 = 2Н2О.
Схема работающего кислородно-водородного щелочного топливного элемента имеет вид: (-) (С)Н2|2H2O||4OH-|O2(C) (+).
В результате протекания указанных реакций в топливном кислородно-водородном элементе генерируется постоянный ток 1,23ч1,50В.
Для уменьшения электрического сопротивления в системе применяются реагенты с высокой электрической проводимостью, либо жидкие электролиты меняются на твердые или расплавы.
В отличие от гальванических, топливные элементы не работают без вспомогательных устройств, обеспечивающих бесперебойный подвод реагентов и отвод продуктов электролиза. Для увеличения напряжения U и силы тока I в генераторе топливные элементы соединяют в батареи. В результате получается сложная система, включающая дополнительные устройства подвода и отвода реакционной смеси, поддержания и регулирования температуры, преобразователи тока и напряжения. Ее называют электрохимической энергоустановкой (ЭХЭ).ЭХЭ имеют КПД в 1,5-2,0 раза выше по сравнению с тепловыми машинами, при этом являются экологически безупречными. Именно поэтому (Н2-О2) - ЭХЭ применяют на космических кораблях, да еще и учитывая тот факт, что продукт токообразующей реакции - Н2О - служит источником питьевой воды для космонавтов. В России работают ЭХЭ и электростанции мощностью от 40кВт до 11мВт, в которых используется природное топливо (залежи природного газа и отходы нефтепереработки).
- Введение
- I. История создания химических источников тока
- II. Принцип действия
- 1. Гальванический элемент
- 2. Электрические аккумуляторы
- А) Принцип действия
- Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего
- В) Пример водородно-кислородного топливного элемента
- Г) История исследований в России
- Д) Применение топливных элементов
- Е) Проблемы топливных элементов
- IV. Эксплуатация элементов и батарей
- V. Регенерация гальванических элементов и батарей
- VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики