Изучение рабочих характеристик водородного топливного элемента

1. Цель работы: изучить принцип действия водородного топливного элемента, исследовать его нагрузочную характеристику при различной скорости подачи реагентов, определить КПД, рассчитать коэффициент использования окислителя, найти внутреннее сопротивление элемента.

Приборы и оборудование: блок питания, электролизер, топливный элемент, расходомер кислорода, блок нагрузок, мультиметр.

2. Краткие теоретические сведения

   1. Введение

Химический источник тока, в котором окислитель и восстановитель непрерывно подаются к катоду и аноду, соответственно, а материал самих электродов в реакциях не участвует, называется топливным элементом.

Для обеспечения подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла требуются различные вспомогательные устройства. Совокупность этих устройств и топливного элемента называется электрохимическим генератором (ЭХГ).

2. Сравнение традиционного способа производства электроэнергии с электрохимическим

На электростанции, работающей на органическом топливе, химическая энергия топлива сначала превращается в тепловую энергию. Затем в паровой турбине происходит преобразование тепловой энергии в механическую.

Согласно второму закону термодинамики, теплота может быть преобразована в механическую энергию в лучшем случае лишь в доле, определяемой КПД цикла Карно (Т₂ – начальная температура пара, Т₁ – конечная температура пара). Например, при начальной температуре пара 600 K (327°С) и конечной 300 К (27°С) КПД не может быть больше, чем .

Дальнейшее почти 100%-ное преобразование механической энергии в электрическую не представляет принципиальных трудностей.

Основные потери энергии на электростанции при превращении химической энергии топлива в электрическую обусловлены наличием промежуточной стадии превращения теплоты в механическую энергию.

В топливных элементах может происходить преобразование химической энергии в электрическую без промежуточных стадий. Никаких принципиальных ограничений, подобных ограничению Карно, для топливных элементов не существует.

Тем не менее, из-за инертности углеводородов в электрохимических реакциях пока не удалось создать эффективные топливные элементы, работающие на первичном топливе таком как нефть и природный газ. В электрохимических генераторах используется легкоокисляющееся топливо: водород, угарный газ, метанол. При его производстве, например, газификации угля, теряется некоторая часть энергии.

КПД топливных элементов, работающих на метаноле и угарном газе, в настоящее время значительно ниже КПД водородных топливных элементов. Поэтому дальше мы будем рассматривать только водородные топливные элементы.

Важно отметить, что при работе электрохимических генераторов в окружающую среду выбрасывается значительно меньшее количество вредных веществ, чем при работе тепловых электростанций. Поэтому топливные элементы рассматриваются как перспективный источник электроэнергии в ближайшем будущем.

3. П ринцип работы топливного элемента

Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рис. 1), являющейся ионным проводником. Электропроводность мембраны обусловлена наличием свободных зарядов – протонов.

Топливный элемент работает следующим образом: поступающий в элемент водород разлагается на поверхности катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H⁺:

2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻. (1)

Ионы H⁺ диффундируют через мембрану к катоду и создают там положительный заряд. Электроны через мембрану не могут пройти. Скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд. Напряжение между электродами получается примерно 1 В. Если подключить к элементу нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, на котором будет происходить электрохимическая реакция:

O₂ + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H₂O. (2)

Катализатором в рассмотренном топливном элементе обычно служат микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электрический ток. Мембрана, как правило, производится из полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции выделяется тепло, для отвода которого при большой мощности топливного элемента надо принимать специальные меры.

Следует обратить внимание на то, что положительный электрод топливного элемента назван катодом, а отрицательный – анодом. В электрохимии название электрода определяется не полярностью напряжения, а типом проходящей на электроде реакции. Электрод, на котором происходит восстановительная реакция, называется катодом; окислительная – анодом.