лекция 5. термодинамика и кинетика топливных элементов
TRANSCRIPT
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»
Козадеров О.А. 20153
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
Козадеров О.А. 20155
ХИТи двигатель внутреннего сгорания
Козадеров О.А. 20156
Схема простейшего топливного элемента
Козадеров О.А. 20157
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?
Козадеров О.А. 20159
Самопроизвольность реакции
Wэлектр,макс = –ΔGP,T
ΔG > 0 несамопроизвольный процесс (энергетически невыгодный)
ΔG = 0 равновесие
ΔG < 0 самопроизвольный процесс (энергетически выгодный)
Козадеров О.А. 201510
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
Козадеров О.А. 201512
Равновесное напряжение топливного элемента с кислородом-окислителем в зависимости от температуры и вида топлива
Козадеров О.А. 201513
Основы кинетикитопливного элемента
Устройство топливного элементаи стадии электрохимического процессаПланарная структура ТЭ
Поперечное сечение ТЭ
Козадеров О.А. 201515
(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)
Козадеров О.А. 201516
Рабочее напряжение ТЭ
Козадеров О.А. 201517
Ток утечки (ток побочных процессов)
Козадеров О.А. 201518
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)
Козадеров О.А. 201519
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
Козадеров О.А. 201520
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
Козадеров О.А. 201521