Топливные элементы » электрохимические генераторы электроэнергии. Электрогенераторы будущего.

Тема: электрохимический генератор электричества — топливный элемент.

 

Топливный элемент (ТЭ) — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электричество, не используя при этом ряд дополнительных преобразований (тепловое, механическое и прочее, протекающие с большими потерями). У топливных элементов коэффициент полезного действия гораздо выше (может составлять около 90%), по сравнению с традиционными способами выработки электроэнергии.

 

электрохимические генераторы электричестваТопливные элементы были открыты еще в 1839 г. известным учёным сэром Вильямом Гровом. При исследовании электролиза воды, отключив от электролитической ванны электрическую батарею, учёный заметил, что электроды вдруг начали активно поглощать выделившийся газ и вырабатывать электрический ток. Это послужило началу последующих исследований данного явления.

 

Топливный элемент является некой аналогией обычных гальванических элементов (по своему основному принципу работы), что преобразуют химическую энергию веществ в электрическую. Но в отличие от батарей, в ТЭ исходные химические вещества для реакции поступают постоянно. И поэтому топливные элементы могут работать довольно долго (до тех пор, пока поступает топливо и окислитель).

 

Причём, основные элементы ТЭ (электролит, электроды, катализатор) не портятся при работе и не содержат в своей системе движущихся частей, что также влияет на общую долговечность, надёжность и простоту эксплуатации. Данные источники электроэнергии являются экологически чистыми системами, что тоже является большим преимуществом.

 

Теперь что касается самого устройства и принципа действия топливных элементов: конструкция ТЭ состоит из таких основных частей — это электроды, катализаторы, электролит, проточные каналы для подачи топлива и окислителя, а также каналы для вывода отработанных веществ (воды, избыточных газов и т.д.) и избыточного выделяемого тепла.

 

работа топливного элемента, устройство и принцип действия

 

Материалом для электродов может быть специально обработанный кобальт, никель, некоторые группы металла платины, угли. На поверхность данных электродов наносится слой катализатора (элемент, ускоряющий химические реакции), обычно это порошок родия, платины и прочее. При таких электродах удаётся достичь высоких показателей в работе топливного элемента.

 

Сами электроды выполняются в виде пористых пластин, между ними находится электролит, а внешние стороны электродов выполнены в виде каналов, по которым пропускается топливо с окислителем и на которых происходит химические реакции в топливном элемент.

 

Центром топливного элемента будет являться протонообменная мембрана (выполняет функцию электролита). Обычно данная мембрана имеет вид пленки из специального полимера, который сочетает в себе гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, что содержат кислотные группы. Если мембрана содержит воду, то она будет собираться вблизи кислотных групп, образовывая гидратную область с размером около 1 нм. Именно в данной области будут образовываться различные формы протона, имеющие возможность свободно перемещаться.

 

топливный элемент — электрохимический генераторРассмотрим химические реакции, которые идут по следующей схеме: топливо (водород) попадает на анод топливного элемента, на нём его атомы разлагаются на протоны и электроны (H2 = 2e- + 2H+), освободившиеся электроны направляются во внешнюю электрическую цепь (создавая, тем самым, электрический ток), а протоны проходят сквозь электролит (протонообменную мембрану) на катодную сторону. На катоде с протонами водорода соединяются атомы кислорода и электроны (пришедшие из внешней цепи) с образованием воды (4H+ + 4e- + O2 = 2H2O).

 

Продуктами выделения после реакции будет водяной пар и небольшое количество тепла. Напряжение, что появляется при данном процессе на единичном ТЭ, как правило, не превышает 1,1 Вольта. Для получения желаемого напряжения и тока, топливные элементы необходимо объединить в батареи, через последовательное и параллельное соединение. Такие топливные батареи вместе с элементами терморегулирования и газораспределения монтируются в единый блок, который называется — электрохимический генератор.

 

ps smail

P.S. Топливные элементы или электрохимические генераторы являются одним из лучших вариантов замены нынешних электрогенерирующих систем, работающих за счёт сжигания полезных ископаемых, при этом дающих очень низкий КПД (около 30%) и оказывающее негативное влияние на экологию.

Понравилось?
Поставь Плюс »

 

 

knopka

 

 

обучающие видеокурсы по электрике, электротехнике