Устройство и принцип действия. Во всяком ЭХГ имеются два электрода (положительный и отрицательный) и химическое

Во всяком ЭХГ имеются два электрода (положительный и отрицательный) и химическое вещество, называемое электролитом, в которое погружены эти электроды. В ЭХГ с наливными элементами используется жидкий электролит, а в сухих ЭХГ - пастообразный. В ЭХГ обоих типов должно быть достаточно жидкости для протекания химической реакции.

ЭХГ вырабатывают энергию из химической реакции. Реакция протекает с потреблением активных материалов внутри элемента. Когда такие материалы расходуются полностью, ЭХГ теряет способность давать электрический ток.

Химические источники тока делятся на первичные и вторичные. Первичные источники не перезаряжаются, т.е. израсходованные активные материалы в них не могут быть регенерированы или заменены, и батарею электропитания приходится выбрасывать. Вторичная (аккумуляторная) батарея может быть перезаряжена. Израсходованные активные материалы в ней могут быть регенерированы, и такая батарея электропитания допускает многократное повторное использование. Топливный элемент теоретически имеет неограниченный срок службы, поскольку в нем пополняется израсходованный активный материал (топливо), а продукты реакции выводятся.

Важнейшая составная часть электрохимического генератора обеспечивающая прямое преобразование химической энергии (реагентов - топлива и окислителя) в электрическую является топливный элемент (ТЭ). Основу ТЭ составляют два электрода, разделённые твёрдым или жидким электролитом. Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит-электрода в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления. В результате этих реакций образуются ионы А- и В⁺ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции AB) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создаётся избыточный положительный заряд. При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Е_пол.

Суммарная реакция:

А + В = AB + Q+ Е_пол.

Электролит в ТЭ не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для эффективной работы ТЭ необходимы развитая поверхность электродов (до сотен м²/г вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.

ЭДС одного ТЭ недостаточна для питания энергией тех или иных устройств, поэтому несколько элементов соединяют друг с другом в батарею. Для обеспечения непрерывной работы батареи ТЭ необходимы устройства для хранения и подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции из элемента.

Электрохимический генератор (ЭХГ) - это система, состоящая из батареи ТЭ, устройств для хранения и подвода топлива и окислителя, вывода из элемента продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры и напряжения.

Идея создания топливного элемента была осуществлена в 60-х гг. 20 в. почти одновременно в СССР, США, Франции и Великобритании. Известно много топливных элементов разных типов, различающихся рабочими температурами (от комнатной до 1200 К), а также видом используемого топлива (водород, водородсодержащие вещества, металлы и т.д.), окислителя (кислород, кислородсодержащие вещества, хлор и т.д.), катализатора (платина, палладий, серебро, никель, уголь и т.д.) и электролита (щёлочи или кислоты, твёрдые окислы металлов, расплавы солей, ионообменные полимеры и т.д.). Практическое применение получили главным образом топливные элементы, в которых в качестве топлива, окислителя и электролита используют соответственно водород, кислород и щёлочь (или ионообменный полимер). Такие топливные элементы работают при невысоких температурах (до 100 °С), что обеспечивает им длительный (до нескольких тыс. ч) ресурс работы. Однако топливом в топливных элементах принципиально может служить любое вещество, реагирующее при рабочей температуре с кислородом или галогенами.

С учетом влияния необратимых электрохимических процессов в реальных ТЭ удельный расход топлива возрастает в 1.5-2 раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза по сравнению с соответствующими теоретическими показателями, приведенными в таблице.

Внешняя характеристика U=f(I)

Общая форма внешней характеристики ЭХГ показана слева на рисунке выше. Большая крутизна | dU / dI | при малых и повышенных значениях тока обусловлена соответственно поляризацией активации электродов (участок 1) и приграничной поляризацией концентрации (участок 3). Линейный участок 2 с относительно малой крутизной | dU / dI | отражает влияние в основном «омической» поляризации. На рисунке выше справа приведены аналоги внешних характеристик U = U(J) для конкретных.

КПД ЭХГ теоретически может достигать единицы, на практике же он достигает 60%-80%.

Дата добавления: 2015-07-14