Топливные элементы
    Булатов Г.Р.
    УГАТУ, группа ИИТ-122 Топливные элементы.
    В настоящее время основной долей энергии, используемой человечеством, является химическая энергия реакции горения природного топлива: топливо + кислород = продукты окисления топлива (1)
    Химическая энергия этой реакции затем превращается либо в механическую (двигатели внутреннего сгорания), либо в электрическую (тепловые электростанции) по схеме
    Химическая энергия --> теплота --> механическая энергия --> электрическая энергия
    В двигателях внутреннего сгорания процесс идет до генерации механической энергии, на тепловых электростанциях - до электрической.
    Недостатком существующих методов преобразования энергии является малый КПД. Особенно большие потери энергии происходят на стадии превращения теплоты в механическую работу. В силу специфической особенности теплоты она может лишь частично превращаться в работу, основная часть теплоты бесполезно рассеивается в окружающем пространстве. Поэтому фактический КПД электростанций составляет 30-40%, а транспортных установок в городских условиях 10-15%. Таким образом, 60-90% химической энергии топлива бесполезно рассеивается в окружающее пространство. Поэтому особый интерес представляет прямой путь превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию:
    Химическая энергия --> электрическая энергия.
    Это электрохимический путь, осуществляемый с помощью топливных элементов.
    Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается непосредственно в электрическую энергию. Для этого реакция (1) в топливном элементе разбивается на стадии: * анодное окисление топлива * катодное восстановление окислителя (кислорода) * движение ионов в растворе электролита * движение электронов от анода к катоду (электрический ток)
    Идея использования химической энергии окисления (сжигания) горючих веществ, в частности природного топлива, для непосредственного получения электроэнергии в гальваническом элементе уже давно привлекает внимание исследователей. В настоящее время к группе топливных элементов относят не только элементы, использующие в качестве активных материалов кислород, уголь или другие горючие материалы, но и все гальванические системы, в которых активные материалы вводятся в элемент извне по мере их расходования.
    В настоящее время достигнуты успехи в области исследования и изготовления топливных элементов. Например, топливные элементы были применены на космическом корабле системы Джеминай в США. Принцип действия топливного элемента (ТЭ)
    Рассмотрим работу топливного элемента на примере водородно-кислородного элемента. В этом элементе происходит превращение химической энергии реакции горения водорода (4) в электрическую.
    Химическая энергия реакции (4), равная 284 кДж/моль (при = 1 атм. и = 1 атм. и температуре 298К) может быть с невысоким КПД превращена в тепловых машинах через теплоту в электрическую энергию. Другой путь - электрохимический - может быть осуществлен в топливном элементе, схема которого приведена на рисунке:
    
     N электрическая
    
    - +
    
    Н2 К+ О2
     Н2
    О2
     Н2О ОН-
    Н2 H2O
    +
    Н2О Анод Катод
    (2) 2Н2 + 4ОН- -->4Н2О+4е О2 + 2Н2О + 4е -->4ОН- (3)
     Суммарная реакция 2Н2 + О2 --> 2Н2О + Nэлектр (4) Рисунок 1. ............