лекция 5. термодинамика и кинетика топливных элементов

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