лекция 5. термодинамика и кинетика топливных элементов

Электрохимическая энергетика

Лекция 5. Термодинамика и кинетика топливных элементов

Топливный элементхимический источник тока, работающий, пока подаются окислитель и восстановитель (топливо), которые хранятся вне элемента

Козадеров О.А. 20152

Топливный элемент –электрохимический «завод»


Топливный элементи двигатель внутреннего сгоранияДВС 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 окислителяКозадеров О.А. 20154

ХИТи двигатель внутреннего сгорания


Схема простейшего топливного элемента


Анод: H2 → 2H+ + 2e–

Катод: ½O2 + 2H+ + 2e– → H2O

Токообразующая реакция:Н2 + ½О2 → Н2О

Основы термодинамики топливного элемента

Термодинамика топливного элемента

является ли реакция в топливном элементе спонтанной?

каково максимальное напряжение топливного элемента, в котором протекает эта реакция?


Самопроизвольность реакции

Wэлектр,макс = –ΔGP,T

ΔG > 0 несамопроизвольный процесс (энергетически невыгодный)

ΔG = 0 равновесие

ΔG < 0 самопроизвольный процесс (энергетически выгодный)


Энергия Гиббсаи 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 = –nFEмаксКозадеров О.А. 201511

Расчет максимального напряжения (пример)

Н2 (г) + ½О2 (г) → Н2О (ж), ΔG0P,T = –237

кДж/моль.

Е0макс = -(-237000 Дж/моль) / 2 / 96485

Кл/моль = 1,23 В


Равновесное напряжение топливного элемента с кислородом-окислителем в зависимости от температуры и вида топлива


Основы кинетикитопливного элемента

Устройство топливного элементаи стадии электрохимического процессаПланарная структура ТЭ

Поперечное сечение ТЭ


(1) транспорт реагентов(2) электрохимическая реакция (перенос заряда)(3) ионный перенос в электролите(4) удаление продукта

Рабочее напряжение ТЭU = 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)


Рабочее напряжение ТЭ


Ток утечки (ток побочных процессов)


iобщая = iизмеряемая(полезная) + iутечки

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)


1-α nFαnFη η0 RT RTi=i e -e

Как снизить омические потери? закон Ома

ηом = i∙Rом = i∙(Rэлектронного проводника + Rионного

проводника)

увеличить электропроводность электролита и электродов

уменьшить толщину электродов и электролита


Как снизить концентрационные потери?1. Принудитель

ная конвекция

2. Увеличение предельной плотности тока

высокие концентрации реагента

высокие значения коэффициента диффузии реагента

снижение толщины диффузионного слоя


лекция 5. термодинамика и кинетика топливных элементов

Education

Transcript of лекция 5. термодинамика и кинетика топливных элементов