Топливный элемент как химический источник электроэнергии

Федеральное государственное  бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования 

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

(СГУПС) 

Дисциплина  «Химия»

Кафедра «Химия» 
 

Реферат 

Тема: Топливные элементы

как химические источники электроэнергии 
 

      Разработал  студент

Руководитель

Паули                     группы СП-112:  

Ирина Анатольевна               Гусева Ю. Е.             

(Ф.И.О., подпись) (Ф.И.О., подпись)

_______________________ _____________________

(дата проверки) (дата сдачи на проверку) 
 
 
 
 

Краткая рецензия:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 
 
 

_______________________  _____________________

(запись о допуске к защите) (оценка, подпись преподавателя) 
 

2011

Содержание

Введение……………………………………………………….стр. 3

1. Основные  сведения о топливных элементах……………..стр. 4

2. Принцип  действия топливного элемента…………………стр. 5

3. Классификация  топливных элементов………………........стр. 6

4. Другие  типы топливных элементов………………..……...стр. 9

5. История  и направления развития 

топливных элементов………………………………………..стр. 10

6. Применение топливных элементов………………..…….стр. 13

7. Преимущества  водородных топливных элементов…….стр. 13

Заключение……………………………………………………стр. 14

Список  литературы ………………………………………….стр. 16 
 

           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Введение

       Промышленное  производство электроэнергии на различных  типах станций: водяных, тепловых, ветряных и других – основано на превращении разных видов энергии (кинетической, тепловой, механической) в электрическую. Технологически процедура базируется на непрерывности работы, многоступенчатости процессов и характеризуется относительно невысоким значением КПД – порядка 40-50%. Альтернативным способом получения электроэнергии являются химические источники тока, в которых химическая энергия реакции непосредственно преобразуется в электрическую. Они обладают рядом достоинств: характеризуются высоким значением КПД – около 80-90%, позволяют транспортировать электроэнергию в любое место, использовать её в любых порциях – больших и малых в непрерывном или дискретном режимах.

       Количество  производимых в настоящее время  разнообразных химических источников электроэнергии исчисляется несколькими  миллиардами. Примечательно, что если одновременно включить все имеющиеся в мире химические источники электроэнергии, то они развили бы мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций планеты, около 10⁹ кВт. Однако в отличие от непрерывно действующих электростанций химические источники электроэнергии работают непродолжительно во времени, и поэтому их общая энергия в сравнении с энергией электростанций все же не велика. Тем не менее химические источники электроэнергии привлекательны тем, что они легко приспособляемы к определенным условиям и могут работать автономно.

       В зависимости от эксплуатационных особенностей и от электрохимической системы (совокупности реагентов и электролита) химические источники тока делятся  на гальванические элементы (обычно называются просто элементами), которые, как правило, после израсходования реагентов (после разрядки) становятся неработоспособными, и аккумуляторы, в которых реагенты регенерируются при зарядке — пропускании тока от внешнего источника. Такое деление условно, т.к. некоторые элементы могут быть частично заряжены. К важным и перспективным химическим источникам тока относятся топливные элементы (электрохимические генераторы), способные длительно непрерывно работать за счёт постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции. Конструкция резервных химических источников тока позволяет сохранять их в неактивном состоянии 10—15 лет.

     Топливные элементы осуществляют прямое превращение  энергии топлива в электричество  минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

         Именно об этом виде химических источников электроэнергии и пойдет речь далее. 

       1. Основные сведения  о топливных элементах

       Топливный элемент (ТЭ) – это первичный (не перезаряжаемый) источник тока, в котором  электрическая энергия непосредственно  образуется за счет реакции между  топливом (восстановителем) и окислителем.

       В отличие от гальванических элементов реагенты в топливных элементах не совмещены с электродами, а хранятся отдельно и подводятся к ним по мере протекания химических реакций. Сами электроды в реакцию не вступают, но являются катализаторами этих реакций. Их функция - отбор электронов от восстановителя и передача их окислителю. Топливный элемент - это химический источник тока длительного пользования. Удельная энергия ТЭ значительно выше, чем у гальванических элементов. В топливных элементах используют жидкие или газообразные восстановители - водород, гидразин, метанол, углеводороды и окислители - кислород, пероксид водорода. В топливных элементах протекает реакция окисления топлива, в итоге образуются электроэнергия, продукты окисления топлива и теплота: 

       топливо + окислитель = электроэнергия + продукты окисления топлива + Q 

       Этот  процесс может быть представлен  в виде следующих стадий:

• анодное окисление топлива;
• катодное восстановление окислителя;
• движение ионов в растворе или расплаве электролита;
• движение электронов от анода к катоду во внешней цепи.

 
 
 

      2. Принцип действия  топливного элемента (ТЭ).

     Ископаемое  топливо (уголь, газ и нефть) состоит  в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха  приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет – появляется пламя.

     Химическая  реакция сжигания углерода имеет  вид:

C + O₂ = CO₂ + тепло

      В процессе горения химическая энергия  переходит в тепловую энергию  благодаря обмену электронами между  атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.

     Горение – обмен электронов между атомами, а электрический ток – направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны  совершать работу, то температура  процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.

     Основа  любого химического источника тока – два электрода соединенные  электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H₂), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO⁺, H⁺). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O^2–). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.

     В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:

• газ (топливо, окислитель);
• электролит (проводник ионов);
• металлический электрод (проводник электронов).

     В ТЭ происходит преобразование энергии  окислительно-восстановительной реакции  в электрическую, причем, процессы окисления  и восстановления пространственно  разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. показана ситуация, в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H₂), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо. Таким образом, ТЭ оказывается «всеядным». 

 

     Усложняет использование ТЭ то, что для них  топливо необходимо «готовить». Для  ТЭ получают водород путем конверсии  органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода. 

      3. Классификация топливных  элементов

       В связи с большим разнообразием ТЭ пока нет их единой классификации. Можно классифицировать ТЭ по различным признакам: по принципу использования реагентов; по виду топлива и окислителя; по условиям работы ТЭ (температура и давление).

       По  принципу использования реагентов  ТЭ подразделяют на первичные и вторичные. В первичных элементах топливо и окислитель вводятся непосредственно в ТЭ и превращаются в продукты реакции, которые затем выводятся из ТЭ. Во вторичные ТЭ вводятся не исходные ТЭ, а продукты их переработки, например водород, полученный при конверсии метана. Ко вторичным ТЭ относятся и регенеративные. В регенеративных ТЭ продукты реакции подвергаются регенерации на восстановитель и окислитель, которые затем снова направляются в ТЭ.

       Название  элементы получают обычно по виду окислителя или восстановителя, например водородно-кислородные, воздушно-метанольные, перекисно-водородно-гидразиновые.

       По  рабочей температуре ТЭ классифицируются на низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

       Рабочая температура элемента выбирается в зависимости от свойств выбранного электролита. К электролиту предъявляют следующие требования: высокая ионная проводимость; отсутствие электронной проводимости; химическая стойкость; наличие водород- или кислородсодержащих ионов.

       В соответствии с этими требованиями принято следующее деление ТЭ по электролиту: элементы с кислотой, щелочью, расплавленными карбонатами и твердыми окислами.

       Наибольшее  распространение получили низкотемпературные (рабочая температура ниже 423 К) ТЭ с жидким электролитом. В качестве электролита используются концентрированные растворы кислот и щелочей. Топливом в низкотемпературных ТЭ обычно служит водород, окислителем – кислород или воздух.

       В щелочных электролитах, как правило, предпочитают применять гидроокись калия, а не натрия. Это вызвано меньшей эффективностью кислородных электродов в растворах NaOH по крайней мере при обычных условиях работы и более низкой удельной проводимости раствора NaOH. В кислых электролитах проблема коррозии металлов более острая, чем в щелочных электролитах. Имеется мало материалов, стойких к агрессивному действию этих кислот в сильной окислительной среде на кислородном электроде. Помимо газообразных реагентов в низкотемпературных ТЭ применяется жидкое топливо (гидразин, спирт) и окислитель (перекись водорода). Жидкий электролит находится в свободном состоянии либо пропитывает поры мелкопористого электролитоносителя, обычно изготовленного из асбеста. В этом случае электролит удерживается в неэлектропроводящей пористой матрице капиллярными силами. Основные требования к матрице: высокая пористость и малый размер пор, хорошая смачиваемость электролитом, достаточная механическая прочность, способность выдерживать соответствующие интервалы температур, высокое удельное электрическое сопротивление, химическая инертность по отношению к электролиту. Функции переноса ионов (ОН^-, Н⁺) при работе низкотемпературного ТЭ могут быть осуществлены при помощи твердого электролита – ионообменных мембран. Применение электролитоносителей и ионообменных мембран позволяет существенно упростить конструкцию ТЭ и повысить их удельные массогабаритные характеристики. Однако в подобных системах возникают серьезные трудности, связанные с обеспечением материального баланса при длительной работе.