Химия /
←предыдущая следующая→
1 2 3
Топливные элементы
Булатов Г.Р.
УГАТУ, группа ИИТ-122
Топливные элементы.
В настоящее время основной долей энергии, используемой человечеством, является химическая энергия реакции горения при-родного топлива:
топливо + кислород = продукты окисления топлива (1)
Химическая энергия этой реакции затем превращается либо в механическую (двигатели внутреннего сгорания), либо в электриче-скую (тепловые электростанции) по схеме
Химическая энергия теплота механическая энергия электрическая энергия
В двигателях внутреннего сгорания процесс идет до генера-ции механической энергии, на тепловых электростанциях – до элек-трической.
Недостатком существующих методов преобразования энер-гии является малый КПД. Особенно большие потери энергии проис-ходят на стадии превращения теплоты в механическую работу. В силу специфической особенности теплоты она может лишь частично превращаться в работу, основная часть теплоты бесполезно рассеи-вается в окружающем пространстве. Поэтому фактический КПД электростанций составляет 30-40%, а транспортных установок в го-родских условиях 10-15%. Таким образом, 60-90% химической энер-гии 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 непосредст-венно 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 (сжига-ния) горючих веществ, в частности природного топлива, для непо-средственного получения электроэнергии в гальваническом элемен-те 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 ко-торых активные материалы вводятся в элемент извне по мере их расходования.
В настоящее время достигнуты успехи в области исследова-ния и изготовления топливных элементов. Например, топливные элементы были применены на космическом корабле системы Дже-минай в США.
Принцип действия топливного элемента (ТЭ)
Рассмотрим работу топливного элемента на примере водо-родно-кислородного элемента. В этом элементе происходит превра-щение химической энергии реакции горения водорода (4) в электри-ческую.
Химическая энергия реакции (4), равная 284 кДж/моль (при = 1 атм. и = 1 атм. и температуре 298К) может быть с невысо-ким КПД превращена в тепловых машинах через теплоту в электри-ческую энергию. Другой путь - электрохимический – может быть осуществлен в топливном элементе, схема которого приведена на рисунке:
N электрическая
- +
Н2 К+ О2
Н2
О2
Н2О ОН-
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 водо-род, к катоду – окислитель, обычно чистый кислород или кислород воздуха. Между электродами находится электролит, в качестве ко-торого для рассматриваемого водородно-кислородного элемента ис-пользуется 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 об-разом, в результате протекания реакции (4) в цепи генерируется по-стоянный 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 окисли-тель 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 реак-ции, в то время как гальванические элементы могут работать огра-ниченное время, определенное запасом активных реагентов. В каче-стве 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 пере-ходе 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 изо-термические, ибо в этом случае возможно провести химическую ре-акцию обратимо, используя какой-либо единственный источник те-пла с температурой Т (в частном случае окружающую среду с тем-пературой Т0).
Для такого изобарно-изотермического обратимого процесса полезная работа окажется максимальной, а уравнение (6) примет вид
А = Т(S2 – S1) – (H2 – H1) = -G, (7)
где G=G2 – G1, G – энергия Гиббса системы.
При необратимом процессе, осуществляемом между началь-ными и конечными состояниями 1 и 2, полезная внешняя работа меньше максимальной на положительную величину Т0S, равную произведению абсолютной температуры окружающей среды Т0 на прирост энтропии всей системы (производящего работу тела и ок-ружающей среды).
Поскольку работа в ТЭ проявляется в виде электрической ра-боты, 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 Ас/(гэкв) = 26,8 Ач/(гэкв) – число Фарадея, z- число электронов, участвующих при электрохимическом превращении од-ной молекулы вещества. Значение ЭДС обратимого топливного эле-мента можно записать
(10)
где Н – энтальпия реакции, S – энтропия реакции, Т – температу-ра, а значение максимальной полезной работы реакции при замене в выражении для G энтропии S уравнением
и
(11)
Это уравнение известно как уравнение Гиббса-Гельмгольца. Так как при постоянных р и Т G=-Amax и H=-Qp – тепловому эф-фекту реакции, происходящей в ТЭ, то уравнение (9) может быть представлено
,
а выражение для ЭДС
Второй член правой части равен теплоте, поглощаемой (вы-деляемой) при работе ТЭ (эта величина отнюдь не равна Qp). В за-висимости от знака , т.е. от характера реакции, возможны три вида ТЭ:
а) работающие с выделением теплоты во внешнюю среду S>0, E> ;
б) без выделения или поглощения теплоты (адиабатический режим) S=0, E= ;
в) с поглощением теплоты из внешней среды S100%). В этом случае топливный элемент будет работать охлаждаясь и используя тепло окружающей среды. Максимальный КПД соответствует полному использованию веществ, вступающих в реакцию в согласии с законом Фарадея и теоретической ЭДС эле-мента (5).
Так как энтропия газообразных веществ обычно выше энтро-пии жидких и твердых веществ, то основной вклад в энтропию реак-ции вносят газообразные реагенты и продукты реакции. Можно в первом приближении оценить знак ∆S реакции по мольному балан-су газов продуктов реакции и исходных веществ.
Как известно на практике элементы отдают во внешнюю цепь при разряде значительно меньшую энергию, чем соответствует тео-ретической ЭДС Напряжение при разряде значительно меньше, чем ЭДС из-за наличия необратимых процессов: пассивности электро-дов, необходимости
←предыдущая следующая→
1 2 3