Електрохімічні генератори

Паливний елемент (ПЕ) – є електрохімічним пристроєм, що здатний до своїх достатків хімічних реакцій переробляти енергію палива в електричну енергію, не застосовуючи при цьому ряд інших перетворень (механічне, теплове та інше, що протікають з великими енерговтратами). У паливних елементів ККД (коефіцієнт корисної дії) набагато вище (близько 90%), якщо порівнювати з поширеними способами виробництва електричної енергії. Перші паливні елементи були відкриті ще в 1839 році таким вченим, як сер Вільям Гров. При вивченні електролізу води, вимкнувши електроживлення від електролітичної ванни, вчений виявив, що електроди раптово почали швидко поглинати наявний газ і в результаті пішов процес вироблення електричного струму. Це і було початком наступних вивчень цього явища.

Паливний елемент якимось чином аналогічний гальванічним елементам (за загальним принципом своєї роботи). Вони здатні в результаті протікання хімічних реакцій в результаті генерувати електричну енергію. Але на відміну від гальванічних елементів у паливних елементів початкові хімічні речовини для подальшої хімічної реакції йдуть постійно. З цієї причини паливні елементи здатні працювати тривалий час (поки надходить паливо і окислювач в систему цього електрохімічного генератора).

Основні функціональні частини паливних елементів (електроди, електроліт, каталізатор) в процесі своєї роботи не псуються. Також варто зауважити, що оскільки в ТЕ немає рухомих елементів, то даний вид електричних джерел живлення має велику надійністю, довговічністю і простотою експлуатації. Ці електричні джерела енергії повністю екологічно чисті, що є дуже великою перевагою. Пристрій і принцип дії паливних елементів наступні: безпосередня конструкція паливних елементів представлена ​​наступними основними частинами – електроди, електроліт, каталізатори, проточні канали для безперервної подачі окислювача і палива, канали для подальшого виведення відпрацьованих речовин (надлишкових газів, води) і тепла, що виділяється.

Матеріалом для електродів служить зазвичай спеціально оброблений нікель, кобальт, деякі групи платини, вугілля. Поверхня електродів покривають тонким шаром каталізатора (хімічний елемент, який прискорює хімічні реакції, але сам в ній не бере участь). Для каталізатора беруть порошок платини, родію і подібні речовини. При подібних електродах можливо отримати досить високі характеристики в роботі електричного паливного елемента. Електроди роблять у вигляді пористих прямокутних пластин, між якими міститься електроліт. На зовнішніх сторонах електродів проробляють канали, за якими в процесі роботи пропускається окислювач і саме паливо, завдяки яким і відбувається хімічна реакція в паливному елементі.

Центром паливного елемента є протонообмінні мембрана. Вона виконує функцію електроліту в ТЕ. Як правило, така мембрана представлена ​​у вигляді тонкої плівки зробленого зі спеціального полімеру, що поєднує в собі гидрофобную ланцюг і бічні фрагменти, що містять кислотні групи. У разі, коли на мембрані є вода, вона збереться близько кислотних груп, тим самим утворюючи деяку гідрадну область з розміром в 1 нанометр. У цій області в процесі утворюються певні форми протона.

Тепер що стосується самих хімічних реакцій. Вони проходять за наступною схемою: водневе паливо підходить до анода паливного елемента. На ньому атоми водню розщеплюються на електрони і протони (H2 = 2e- + 2H +). Вивільнені електрони надходять у зовнішнє електроланцюг (тим самим створюючи електричний струм). Протони просочуються через протонообмінні мембрану (електроліт) і переходять на катодний бік. З протонами водню (на катоді) з’єднуються електрони (які прийшли із зовнішнього ланцюга) і атоми кисню з наступним утворенням води (4H + + 4e- + O2 = 2H2O).

Після проходження реакції продуктами відходу буде водяна пара і деяку кількість теплоти. Електрична напруга, яке створюється в результаті роботи паливного елемента, як правило, не вище 1.1 В. Для отримання необхідних значень напруги і струму, паливні елементи об’єднують в батареї (послідовне і паралельне з’єднання). Ці паливні батареї, системи терморегулювання і газорозподілу встановлюються в один блок, що має назву – електрохімічний генератор.

Посилання на основну публікацію