лекция 9. термодинамика и кинетика топливных элементов

Химические источники энергии

Лекция 9. Термодинамика и кинетика топливных элементов

План лекции

2

концепция топливного элемента

основы термодинамики топливного элемента

основы кинетики топливного элемента

Козадеров О.А. 2015

Топливный элемент

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


Топливный элемент –электрохимический «завод»


Топливный элементи 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


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 = –nFEмакс


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 процесса

Планарная структура ТЭ Поперечное сечение ТЭ


(1) транспорт реагентов

(2) электрохимическая реакция (перенос заряда)

(3) ионный перенос в электролите

(4) удаление продукта

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)


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 η

0 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. Принудительная конвекция

2. Увеличение предельной плотности тока

высокие концентрации реагента

высокие значения коэффициента диффузии реагента

снижение толщины диффузионного слоя


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


лекция 9. термодинамика и кинетика топливных элементов

Education

Transcript of лекция 9. термодинамика и кинетика топливных элементов