Презентация на тему: Топливный элемент

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Топливные элементы были открыты в 1839 году английским физиком и химиком сэром  Вильямом Грове. 1

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

Но сам термин топливный элемент появился позднее – в 1889 году он был предложен Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, которые пытались создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа. Начало более бурное развитие топливных элементов приходится на 1085-2000 гг. и продолжается до сегодняшнего дня. 2

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два важных отличия: они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника, химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке. 3

Водород-кислородный элемент При обратимом протекании процесса к.п.д. такого элемента составляет 83%, а расчетное значение ЭДС равно 1,23 В. В электрическую энергию превращается та часть химической энергии, освобождающаяся при окислении водорода, которая может быть превращена в работу. 4

Водород-кислородный элемент можно получить, например, с помощью двух платиновых электродов, погруженных в водный раствор гидроксида калия. Один электрод омывается водородом, другой – кислородом: (А)() Pt(H2)|KOH, насыщ. Н2 |КОН, насыщ. О2 |(О2)Pt (+) (К) В этом элементе окисление водорода и восстановление кислорода пространственно разделены, и ток генерируется в процессе реакций: (А) 2H2  4H++ 4e (К) O2 + 2H2O + 4e  4OH т.е. суммарный процесс сводится к окислению водорода кислородом: 2Н2 + О2  2Н2О 5

Схема топливного элемента: 1 – камера водорода, 2 – водородный электрод, 3 – камера кислорода, 4 – кислородный электрод, 5 – электролит 6

Существенным недостатком такого топливного элемента является очень малая плотность тока. Это связано: во-первых, с тем, что мала скорость самих электрохимических реакций, что приводит к сильной поляризации электродов. во-вторых, с тем, что газы слабо растворяются в электролите, поэтому скорость подачи активных веществ к электродам также мала. Для увеличения плотности тока используют: повышенные давления и температуры, специальные конструкции электродов (шероховатые, пористые, двухслойные, мембранные и др.), перемешивание раствора и т.п. 7

Угольный топливный элемент Электрическая энергия вырабатывается за счет реакции С + О2  СО2. При использовании в качестве электролита какого-либо водного раствора, схему элемента можно представить в виде (А) (-) С | раствор электролита | О2 (+) (К) а генерирование тока происходит в результате электрохимических процессов: (А) C + 2H2O  CO2 + 4H+ + 4e (К) 2H2O + O2 + 4e  4OH 8

Теоретически К.П.Д. такого элемента близок к 100% В действительности же известны лишь такие угольные элементы, которые работают при высоких температурах (700  900о С), но и их К.П.Д. невысок. 9

Газогенераторный элемент Работает при более низких температурах (А) (-) СО | раствор электролита | О2 (+) (К) в котором происходит окисление СО на электроде: CO + H2O  CO2 +2H+ + 2e, и генерирование тока обусловлено суммарной реакцией (А) 2СО + О2  2СО2 (К) 2H2O + O2 + 4e  4OH 10

Теоретически К.П.Д. такого элемента достигает 92%. Окисление углеводородов (метана, пропана, бутана и др.) в таких элементах происходит при температуре 150  300 С. 11

Метановый топливный элемент СН4 | электролит | О2 получают электрическую энергию в результате реакции (А) (-) СН4 + 2О2  СО2 + 2Н2О (+) (К) при протекании электрохимических процессов на электродах: (А) CH4 + 2H2O+ 8e  CO2 + 8H+ (К) 2H2O + O2 + 4e  4OH 12

Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество, и энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из углеводородного топлива, проектируются на КПД 40–45%. Коэффициент полезного действия. 13

Топливные элементы могут в недалеком будущем стать, широко используемым источником энергии на транспорте, в промышленности и домашнем хозяйстве. Высокая стоимость топливных элементов ограничивала их применение военными и космическими приложениями. Предполагаемые применения топливных элементов включают их применение в качестве переносных источников энергии для армейских нужд и компактных альтернативных источников энергии для околоземных спутников с солнечными батареями при прохождении ими протяженных теневых участков орбиты. Небольшие размеры и масса топливных элементов позволили использовать их при пилотируемых полетах к Луне. Топливные элементы можно использовать в качестве источников питания оборудования в удаленных районах, для внедорожных транспортных средств, например в строительстве. В сочетании с электродвигателем постоянного тока топливный элемент будет эффективным источником движущей силы автомобиля. Применения Для широкого применения топливных элементов необходимы значительный технологический прогресс, снижение их стоимости и возможность эффективного использования дешевого топлива. При выполнении этих условий топливные элементы сделают электрическую и механическую энергию 14

Поскольку в топливном элементе конечным продуктом реакции является вода, мы можем утверждать, что он является наиболее чистым с точки зрения экологического воздействия на природу. Проблема кроется в основном в нахождении эффективного и, самое главное, недорогого способа получения водорода. Огромные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву в этих вопросах. 15

Спасибо за внимание!