Задача 154
Низко- и высокотемпературные водородно-кислородные топливные элементы: схема, уравнения процессов, способы увеличения скорости электрохимических реакций и КПД. Основные характеристики и применение.
Решение:
Топливный элемент (ТЭ) – это первичный (не перезаряжаемый) источник тока, в котором электрическая энергия непосредственно образуется за счёт реакции между восстановителем (топливом) и окислителем.
В водородно-кислородном топливном элементе протекает реакция, которая описывается уравнением:
2 H2 + O2 
2 H2O + электроэнергия + Q
Схема водородно-кислородного топливного элемента:
H2O |
N2 |
H2 |
O2 |
|
(воздух) |
||
|
1 2 3
1 – анод (Pt); 2 – электролит (р-р KOH); 3 – катод (Pt)
К аноду подводится топливо (H2), к катоду – окислитель (чистый кислород или кислород воздуха). Между электродами находится электролит (ионный проводник), в качестве которого используется раствор щёлочи. Схема ТЭ записывается в виде:
(–) H2, Pt | KOH | Pt, O2 (+)
На аноде протекает реакция окисления водорода:
H2 + 2 OH– – 2e– 
2 H2O
На катоде протекает реакция восстановления кислорода:
O2 + 2 H2O + 2e– 
2 OH–
Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов OH– от катода к аноду. Таким образом, в результате реакции генерируется электрический ток, и химическая энергия превращается, непосредственно, в электрическую энергию.
Эффективность работы ТЭ определяется скоростями соответствующих 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 используются металлы платиновой группы (Pt, Pd, Ir), серебро (Ag), специально обработанные никель (Ni) и кобальт (Co), активированный уголь.
Т.к. величина тока, протекающего через электрод, зависит от его поверхности, то в ТЭ применяют пористые электроды, обладающие развитой поверхностью. Электрохимическая реакция протекает на участках пористого электрода, легкодоступных как для газа, так и для электролита.
В зависимости от температуры применяемого электролита, ТЭ подразделяются на высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные:
1)Высокотемпературные элементы работают при t = 400 ÷ 1000 °С на расплавленных карбонатах или твёрдых электролитах, основу которых составляет ZrO2.
2)Среднетемпературные элементы работают при t = 180 ÷ 250 °С на водных щелочных электролитах (30 ÷ 45 % KOH) или на концентрированной H3PO4.
3)Низкотемпературные элементы работают при t < 100 °С на щелочных или кислотных электролитах.
Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электростанциях); как аварийные источники тока; обеспечивают бортовое питание на подводных лодках, космических кораблях; в авиации. Являются источником энергии для электромобилей.