БУДОВА І СКЛАД ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ГЕНЕРАТОРА

2. БУДОВА І СКЛАД ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ГЕНЕРАТОРА

Серед важливіших проблем енергетики особливе місце займають проблеми безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. ЕХГ суттєво відрізняються від інших перетворювачів енергії, тому що енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію, минаючи проміжну стадію перетворення її в теплоту. Тому ККД сучасних ЕХГ досягає 70-80%. Основною складовою частиною ЕХГ є паливний елемент. Для одержання необхідних значень напруги і струму паливні елементи об’єднуються у батареї.

На цей час достатньо розроблені і знаходять застосування в основному водень кисневі паливні елементи з пористими електродами (лужний електроліт) або з іонообмінними (кислий електроліт).

Паливні елементи першого типу (рис.2.1) мають два електрода, простір між якими заповнений електролітом. До одного електрода (анода) подається газоподібний водень, а до другого (катода) – кисень. Позитивні іони водню переходять у розчин і анод заряджається негативним зарядом. Внаслідок дії електростатичного притягання між негативно зарядженим анодом і позитивно зарядженими іонами водню на поверхні розділу електрод-розчин виникає подвійний електричний шар, позитивна сторона якого знаходиться у розчині, а негативна – у металі. Різниця потенціалів між сторонами називається електродним потенціалом. Навколо катода також виникає подвійний електричний шар, тому що негативно зарядженні іони кисню утримуються позитивно зарядженим катодом. При підключенні споживача збиток електронів з анода починає переходити до катоду, здійснюючи корисну роботу в зовнішньому ланцюгу. Коли щезнуть збиточні електрони, іони водню почнуть переходити у глиб розчину.

Рис. Схема паливного елемента

Порушення рівноваги між атомами і іонами палива приведе до виникнення нових іонів і електронів. Безперервний процес іонізації окислювача забезпечується переходом електронів до катоду.

Таким чином, в паливних елементах реакція йде не між атомами і молекулами, а між іонами. Етапи реакції:

1.   Під впливом каталітичних властивостей анода молекули водню розпадаються на атоми і іонізуються з утворенням іонів і електронів

.

2.   Електрони через споживач енергії переходять на катод, де створюються негативні іони кисню

.

3. Іони кисню переходять у розчин електроліту і створюють іони гідроксилу

.

4.   Іони гідроксилу переміщуються у розчині електроліту від катода до анода і створюється кінцевий продукт реакції – вода

.

Для того, щоб не знижалася концентрація електроліту, необхідно постійно відводити воду.

Схема паливного елемента з іонообмінною мембраною приведена на рис.2.2. В такому елементі газові простори поділені мембраною, яка пропускає іони водню, але не пропускає молекули кисню і гідроксильні групи „ОН”.

Рис. Схема паливного елемента з іонообмінною мембраною

Між поверхнею мембрани і пористими токозйомниками нанесений шар каталізатора, тобто іонообмінна мембрана виконує роль твердого електроліту. При „кислотній” мембрані вода створюється на стороні окислювача і виводиться спеціальними пристроями.

Таким чином, процес генерування енергії в паливних елементах описується, як процес обміну електронами між паливом і окислювачем з утворенням нового хімічного сполучення.

3 АНАЛІЗ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Відповідно з першим законом термодинаміки, щодо хімічних реакцій, змінювання повної внутрішньої енергії системи DU_n дорівнюється теплоті хімічної реакції Q і здійсненої при цьому роботі L_S

DU_n=Q+L_S . (3.1)

Під повною внутрішньою енергією розуміють суму фізичної U_ф і хімічної Q_x її частин

U_n=U_ф+U_x . (3.2)

Фізична частина повної внутрішньої енергії складається з кінетичної енергії поступового і обертального хаотичного руху молекул і залежить від температури тіла, а її хімічна частина становить з себе енергію молекулярних зв’язків, від температури не залежить і змінюється тільки при зміні хімічного складу робочого тіла.

Сумарна робота L_S хімічної реакції з механічної роботи L_mеx стиснення або розширення продуктів реакції і роботи, яка здійснюється проти електричних, магнітних і інших сил

L_S= L_mеx+L_ел . (3.3)

Тому як тиск і температура реакції, яка йде в паливному елементі, практично постійні (ізобарно-ізотермічний процес), то механічна робота може здійснюватися тільки за рахунок зміни кількості молей в реакції

, (3.4)

де Z – кількість молей речовини;

А – хімічний символ речовини.

Для такої реакції можливо записати в загальному вигляді вирази для механічної роботи L_мех і для змінювання повної внутрішньої енергії

;  (3.5)

. (3.6)

Враховуючи ці вирази, можливо рівняння першого закону термодинаміки записати у виді

,  (3.7)

де І_і=U_і+P_іV_і – повна ентальпія речовини, яка становить з себе суму повної внутрішньої енергії і енергії тиску при даному стані системи.

Враховуючи вирази (3.5 і 3.6 ) можливо ефективний ККД представити у вигляді

, (3.8)

де  - ККД ідеального паливного елемента;

 - ККД по напрузі;

 - ККД по струму.

В загальному випадку ідеальний ККД паливного елемента може бути більш, менш або рівнятися одиниці.

Звичайно температура паливного елемента підтримується вище ніж температура навколишнього середовища (80-90°С) і h_ід<1.

Фізична сутність того, що h_ід>1, становить з себе те, що в паливному елементі в електричну енергію перетворюється не тільки хімічна енергія реагентів, але й частина теплоти навколишнього середовища.

ККД по напрузі h_u на режимах близьких до холостого ходу досягає значень близьких одиниці, а по мірі навантаження зменшується.

Він характеризує значення поляризаційних втрат, тобто падіння напруги на виході з паливного елемента через внутрішній опір.

ККД по струму досягає значень 0,95-0,98 і характеризує ефективність використання реагентів в паливному елементі, тобто зменшення струму із-за нерівності хімічних процесів.

Таким чином, ефективний ККД

. (3.9)

Для сучасних паливних елементів (в яких паливо – водень, а окислювач – кисень) значення ефективного ККД досягає 60-70%.

Таким чином, робота електричних сил L_ел в залежності від знака теплоти може бути менш, більш або дорівнюватися повній ентальпії у реакції

. (3.10)

Теоретично робота електричних сил дорівнюється добутку ЕРС на перенесений заряд

L_ел = Е е n N_o= Е n Ф, (3.11)

де е =1,602 10^-19 Кл – заряд електрона;

N_o=6,02 10²⁶ І/моль – число Авогадро;

n – кількість електронів, яка звільняється при іонізації атома (валентність);

Ф=96,5×10⁶ Кл/моль – число Фарадея, тобто кількість електроенергії, перенесеної при проходженні одного моля речовини.

В дійсному процесі паливного елемента на аноді іонізуються тільки ті атоми, у яких кінетична енергія більш роботи іонізації, тобто N<N_0. Із-за неповної іонізації палива і внутрішнього падіння напруги робота електричних сил буде менш ніж в ідеальному процесі

. (3.12)

Ефективним ККД паливного елемента називається відношення роботи електричних сил  в дійсному процесі до змінення повної ентальпії в хімічній реакції

.  (3.13)