Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ




 

В настоящее время достигнуты значительные успехи в разработке водородно-кислородного топливного элемента. В этом элементе протекает реакция, которая описывается уравнением:

2H2 + O2 = 2H2O + электроэнергия + Q

На рис.2 приведена схема кислородно-водородного топливного элемента.

 
 
Рис. 2. Схема кислородно-водородного топливного элемента: 1 - анод (Pt), 2 - катод (Pt), 3 - электролит (раствор KOH).  

 

 


К аноду подводится топливо (H2) - восстановитель, к катоду - окислитель (чистый кислород или кислород воздуха). Между электродами находится электролит (ионный проводник), в качестве которого используется раствор щелочи. Схема ТЭ записывается в виде:

(-) H2, Me | KOH | Me, O2 (+) ,

где Me - проводник первого рода (Pt), играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде протекает реакция окисления водорода:

На катоде протекает реакция восстановления кислорода:

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе движение OH- -ионов - от катода к аноду. Таким образом в результате реакции генерируется электрический ток, и химическая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию.

Эффективность работы топливного элемента определяется скоростями соответствующих электродных процессов, которые, в свою очередь, зависят от электрохимической активности электродов и величины их поверхности. Высокая электрохимическая активность электродов достигается введением в них соответствующих катализаторов. В качестве катализаторов электродных процессов в ТЭ используются металлы платиновой группы (Pt, Pd, Ir), Ag, специально обработанные Ni, Co, активированный уголь.

Так как величина тока, протекающего через электрод, зависит от его поверхности, то в топливных элементах применяют пористые электроды, обладающие развитой поверхностью. Пористый электрод представляет собой систему контактирующих друг с другом твердых частиц, обладающих электронной проводимостью, и пустот между частицами. При подаче газообразного окислителя и восстановителя электрохимические реакции протекают на участках пористого электрода, легкодоступных как для газа, так и для электролита. Важное значение для эффективной работы ТЭ имеет подбор электролита. Он должен обладать высокой ионной электропроводностью и стабильностью, т.е. не изменять своего состава при взаимодействии с топливом и окислителем. Электролит не должен вызывать коррозию электродов и других частей топливного элемента. В качестве электролитов широко используются водные растворы KOH, NaOH, H3PO4, расплавы карбонатов и твердые электролиты (ионообменные мембраны, ZrO2, TiO2, MgO, Al2O3 и др.).



В зависимости от температуры применяемого электролита топливные элементы делят на высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

Высокотемпературные элементы работают при температурах 400-1000 °C на расплавленных карбонатах или твердых электролитах, основу которых составляет ZrO2. Среднетемпературные элементы работают при температурах 180-250 °C на водных щелочных электролитах (30-45% KOH) или на концентрированной H3PO4. Низкотемпературные ТЭ работают при температурах ниже 100 °C со щелочными и кислотными электролитами.

В низкотемпературных элементах не удается использовать природные виды топлива: нефть, продукты ее переработки, природный газ (метан). Проблема использования этих видов топлива решается по двум направлениям:

1) применением высокотемпературных элементов и

2) предварительной химической обработкой топлива для получения электрохимически активных веществ.

В табл. 3 приведены теоретические и экспериментальные значения ЭДС основных типов электрохимических реакций, используемых в ТЭ, работающих на газообразном, жидком и твердом топливе.


Таблица 3.

Теоретические и экспериментальные значения ЭДС (Т = 298 К) электрохимических реакций,

используемых в топливных элементах

Топливо Реакция DG, кДж/моль E°, В Материал анода Материал катода электролит Еэксп., В
Водород H2 + 1/2O2 = H2O -237,35 1,23 Pt Pt H2SO4 1,15
Водород H2 + Cl2 = 2HCl -262,51 1,37 Pt Pt HCl 1,37
Пропан C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O -2,106 1,085 Pt Pt H2SO4 0,65
Метан CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O -818,52 1,06 Pt Pt H2SO4 0,58
Оксид углерода (II) CO + 1/2O2 = CO2 -257,28 1,33 Cu Ag KOH 1,22
Аммиак NH3 + 3/4O2 = 3/2H2O + 1/2N2 -338,29 1,17 Pt Pt KOH 0,62
Метанол CH3OH + 3/2O2 = CO2 + 2H2O -698,36 1,21 Pt C KOH 0,98
Формальдегид CH2O + O2 = CO2 + H2O -522,09 1,35 Pt C KOH 1,15
Муравьиная кислота HCOOH + 1/2O2 = CO2 + H2O -285,54 1,48 Pt Pt H2SO4 1,14
Гидразин N2H4 + O2 = N2 + 2H2O -602,48 1,56 Ni C KOH 1,28
Натрий Na + 1/2H2O + 1/4O2 = NaOH -300,78 3,12 Na (Hg) Ag/C KOH 2,10
Уголь C + O2 = CO2 -334,78 1,02 C CuO/C Na2CO3 1,03[2]




mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2018 год. (0.004 сек.)Пожаловаться на материал