2. План лекции
2
концепция топливного элемента
основы термодинамики топливного элемента
основы кинетики топливного элемента
Козадеров О.А. 2015
3. Топливный элемент
химический источник тока,
работающий, пока подаются
окислитель и восстановитель
(топливо), которые хранятся вне
элемента
Козадеров О.А. 20153
5. Топливный элемент
и двигатель внутреннего сгорания
ДВС ТЭ
превращает химическую
энергию топлива и
окислителя в
механическую
механическая энергия в
генераторе
преобразуется в
электроэнергию
напрямую превращает
химическую энергию
топлива и окислителя в
электроэнергию
принцип – разделение
процессов с участием
топлива и окислителя
Козадеров О.А. 20155
10. Термодинамика топливного элемента
является ли реакция в топливном элементе
спонтанной?
каково максимальное напряжение топливного
элемента, в котором протекает эта реакция?
Козадеров О.А. 201510
11. Самопроизвольность реакции
Wэлектр,макс = –ΔGP,T
ΔG > 0 несамопроизвольный процесс (энергетически невыгодный)
ΔG = 0 равновесие
ΔG < 0 самопроизвольный процесс (энергетически выгодный)
Козадеров О.А. 201511
12. Энергия Гиббса
и максимальное напряжение элемента
Электрическая работа по переносу заряда Q зависит
от напряжения Е по уравнению:
Wэлектр,макс = EмаксQ
Электрический заряд, переносимый электронами:
Q = nF
(n – число моль электронов, F – постоянная Фарадея)
Объединение этих уравнений дает:
ΔGP,T = –nFEмакс
Козадеров О.А. 201512
16. Устройство топливного элемента
и стадии электрохимического процесса
Планарная структура ТЭ Поперечное сечение ТЭ
Козадеров О.А. 201516
(1) транспорт реагентов
(2) электрохимическая реакция (перенос заряда)
(3) ионный перенос в электролите
(4) удаление продукта
17. Рабочее напряжение ТЭ
U = E – ηакт – ηом – ηконц
Активационные потери
причина – замедленность
электрохимической реакции,
стадия 2)
Омические потери
причина – замедленность
ионного и электронного переноса
(стадия 3)
Концентрационные потери
причина – замедленность
массопереноса реагентов и (или)
продуктов (стадии 1 и 4)
Козадеров О.А. 201517
20. Как снизить активационные потери?
уравнение Батлера-Фольмера
способы увеличения тока обмена i0
увеличение концентрации реагентов
уменьшение активационного барьера
(электрокатализаторы)
увеличение температуры
увеличение числа реакционных центров
(шероховатости реакционной поверхности)
Козадеров О.А. 201520
1-α nFαnF
η η
0 RT RT
i=i e - e
21. Как снизить омические потери?
закон Ома
ηом = i∙Rом = i∙(Rэлектронного проводника + Rионного проводника)
увеличить электропроводность электролита и
электродов
уменьшить толщину электродов и электролита
Козадеров О.А. 201521
22. Как снизить концентрационные потери?
1. Принудительная
конвекция
2. Увеличение
предельной
плотности тока
высокие
концентрации
реагента
высокие значения
коэффициента
диффузии реагента
снижение толщины
диффузионного слоя
Козадеров О.А. 201522
23. 1. Запишите уравнение Нернста для водородно-
кислородного топливного элемента
2. Рассчитайте рабочее напряжение такого
элемента при плотности тока 1 мА/см2, если
давление водорода и кислорода = по 1 атм
активность воды = 1
общее сопротивление элемента = 30 Омсм2
суммарные активационные и
концентрационные потери составляют 200 мВ
Задание
Козадеров О.А. 201523