“Экспериментальное исследование топливного элемента

“Экспериментальное исследование топливного элемента”
Одной из характерных особенностей современного этапа развития человечества является
быстрый рост энергопотребления. Электроэнергия представляет собой наиболее
совершенный вид энергии, легко доставляемый потребителю и преобразуемый в другие
виды энергии. Всем хорошо известно, что, выработка электроэнергии путем сжигания
топлива на тепловых и атомных электростанциях, сопровождается загрязнениями
окружающей среды.
В последние годы все более возрастает интерес к проблеме альтернативных способов
получения энергии. Сегодня мы расскажем об одном из таких способов – получение
электроэнергии с помощью ТЭ.
Топливный элемент – это устройство, в котором химическая энергия топлива
подводимого к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию.
Работа над созданием ТЭ идет уже более 170 лет. Принцип действия топливных
элементов был открыт в 1839 г. английским ученым Уильямом Гроувом (William Robert
Grove, 1811–1896), который обнаружил, что процесс электролиза воды обратим.
Отключив от электролитической ячейки батарею, Гроув с удивлением обнаружил, что
электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. т. е. водород и
кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и
электрического тока. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения
водорода стало знаменательным событием в энергетике.
Одним из первых экспериментов в области создания удобного в обращении ТЭ был
в 1889 году опыт немецких физиков Карла Лангера и Людвига Монда, предложивших
термин Топливный элемент. Они построили элемент, работающий на воздухе и
промышленных газовых углях. Ими, также, был получении расчетный КПД элемента 50
%. Хотя дальнейшие попытки имели успех, появление ДВС на долгое время отменило
надежды на развитие молодой технологии. Однако уже в новую космическую эпоху
применение ТЭ обрело второе рождение. В космических аппаратах ТЭ наряду с
солнечными батареями являются одним из важнейших источников питания.
ТЭ энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания,
поскольку для них нет термодинамического ограничения коэффициента использования
энергии. КПД топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей
внутреннего сгорания составляет 12–15 %, а КПД паротурбинных энергетических
установок не превышает 40 %.
В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых
возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра)
для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем
преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные
установки (рис. 1.3), работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой
совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник
энергии.
1
Рис.1.3. Комбинированная ветро-солнечно-водородная установка
Цель нашей работы – экспериментально исследовать функционирование такого
комплекса, а также познакомиться с устройством ТЭ и изучить его работу. Исследуя
ветро-солнечно-водородную установку, мы определяли зависимость силы тока,
вырабатываемого ФЭ от освещенности, от расстояния между ФЭ и источником света.
Изучая ветрогенератор, определяли зависимость силы тока от угла наклона лопастей, от
мощности и скорости потока воздуха. Сегодня мы хотим подробнее рассказать о работе
ТЭ. В лабораторных условиях ФТИ мы изучили на практике устройство ТЭ, имея
возможность его разобрать и собрать.
2
Основной частью любого ТЭ является мембранно-электродный блок (МЭБ)
МЭБ состоит из протонповодящей мембраны, сердце МЭБ, – тонкой пленки (от 50
до 250 мкм). Эта пленка-полимерная электролитная мембрана (ПЭМ) используется в
качестве электролита. Она состоит из огромных молекул поливалентной кислоты, в
которых сбоку к углеродной скелетной цепи прикреплены группы кислотного остатка [–
SO3], а протоны свободно движутся по полимеру (отсюда второе название
«протонпроводящая мембрана») Полимерным материалом, наиболее часто применяемым
для изготовления ТПЭ, является Нафион.
Мембрана покрыта с двух сторон катализатором, к каталитическим слоям прижаты
токосъемники из газопроницаемого пористого материала, хорошо проводящего
электричество( чаще всего углеродной бумаги).
Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не
проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность
потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо – водород (восстановитель). На катод
топливного элемента кислород или воздух (окислитель).
Рассмотрим работу ТЭ. =
Простейшая схема топливного элемента
На аноде ТЭ, изготовленном с использованием благородного металла - платины и
ее сплавов), молекулы водорода окисляются с образованием протонов и электронов
Освободившиеся при этом ядра водорода, т. е. протоны, начинаются двигаться к катоду
сквозь мембрану. Электроны же направляются как бы «в обход» мембраны, поскольку
их она пропускать не будет. Поток электронов и представляет собой электрический ток,
который идет через какой-нибудь потребитель. Затем электроны поступают на катод, где,
в свою очередь, происходит восстановление. Таким образом, на катоде происходит
одновременная встреча атомов кислорода, протонов и электронов: это приводит,
очевидно, к образованию молекул воды, которые благополучно выводятся за пределы
элемента.
При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:
● на аноде: 2H2 → 4H+ + 4e–;
● на катоде: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O.
Суммарная реакция: 2H2 + O2 → 2H2O.
3
В процессе экспериментальной работы с ТЭ, мы познакомились с технологий
напыления катализатора на мембрану методом аэрографии. С обеих сторон мембраны
находится защитная пленка, которая препятствует ее окислению на воздухе. Когда
снимаем защитное покрытие, мембрана начинает контактировать с окружающей средой:
увлажняться или пересыхать, и вес меняется, поэтому после снятия пленки должно
пройти некоторое время.
Далее измеряем вес мембраны до напыления катализатора: m0=0,2231 г
Толщина мембраны 50мк до напыления .
Пока мембрана увлажняется, готовим каталитические чернила, составляющей которых
являются каталитический порошок и спиртовой раствор. Есть несколько способов
перемешивания чернил, но в данных лабораторных условиях у нас была возможность
использовать два из них: магнитное и ультразвуковое. Суть ультразвукого перемешивания
следует из его названия - это перемешивание ультразвуком. При использовании
магнитного перемешивания в емкость с чернилами опускался металлический якорь,
который при появлении магнитного поля начинал вращаться. Все это необходимо для
равномерного перемешивания частиц вещества в растворе. Полученные чернила
наносятся различными методами на мембрану. Мы использовали метод аэрографии.
Чернила заливаются в аэрограф - приспособление для нанесения жидкого материала под
давлением. Необходимо закрепить мембрану между двумя металлическими
поверхностями с отверстиями, соответствующими размеру напыляемой поверхности.
После чего они помещаются на нагревательный элемент с температурой 70-80 оС, что
препятствует переувлажнению мембраны и способствует быстрому испарению спирта.
Измерив массу мембраны после напыления с одной стороны m1=0,2327г, после
напыления с другой стороны получили m2=0,2470 г. Следовательно, вес мембраны
увеличился на 23,9 мг, т.е. общая масса катализатора 23,9 мг. Измерили толщину
мембраны до и после напыления определили толщину каталитических слоев – 110 мкм.
Сравнивая изготовленную мембрану с мембраной заводского изготовления, мы
обнаружили, что отклонения от изготовленного профессионально образца незначительно.
Собрав с изготовленной мембраной ТЭ, мы исследовали его вольт-амперную
характеристику. Используя компьютерную программу, построили график зависимости
силы тока от напряжения. Полученная зависимость с нашей мембраной отличалась
незначительно от графика эталонного образца.
Выводы:
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………
4