Лекция посвящена термодинамике и кинетике топливных элементов, описывающим принципы их работы и преобразования химической энергии в электрическую. Также рассматриваются процессы, влияющие на эффективность топливных элементов, такие как активационные, омические и концентрационные потери, а также способы их минимизации. Приводятся уравнения и расчеты, относящиеся к определению максимального напряжения и рабочей массы топливного элемента.

1. Химические источники энергии
Лекция 9. Термодинамика и кинетика топливных элементов

2. План лекции
2
 концепция топливного элемента
 основы термодинамики топливного элемента
 основы кинетики топливного элемента
Козадеров О.А. 2015

3. Топливный элемент
 химический источник тока,
работающий, пока подаются
окислитель и восстановитель
(топливо), которые хранятся вне
элемента
Козадеров О.А. 20153

4. Топливный элемент –
электрохимический «завод»
Козадеров О.А. 20154

5. Топливный элемент
и двигатель внутреннего сгорания
ДВС 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 окислителя
Козадеров О.А. 20155

6. ХИТ
и двигатель внутреннего сгорания
Козадеров О.А. 20156

7. ХИТ
и двигатель внутреннего сгорания
Козадеров О.А. 20157

8. Схема простейшего топливного элемента
Козадеров О.А. 20158
Анод: H2 → 2H+ + 2e–
Катод: ½O2 + 2H+ + 2e– → H2O
Токообразующая реакция:
Н2 + ½О2 → Н2О

9. Основы термодинамики
топливного элемента

10. Термодинамика топливного элемента
 является ли реакция в топливном элементе
спонтанной?
 каково максимальное напряжение топливного
элемента, в котором протекает эта реакция?
Козадеров О.А. 201510

11. Самопроизвольность реакции
Wэлектр,макс = –ΔGP,T
ΔG > 0 несамопроизвольный процесс (энергетически невыгодный)
ΔG = 0 равновесие
ΔG < 0 самопроизвольный процесс (энергетически выгодный)
Козадеров О.А. 201511

12. Энергия Гиббса
и 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 = –nFEмакс
Козадеров О.А. 201512

13. Расчет максимального напряжения
(пример)
Н2 (г) + ½О2 (г) → Н2О (ж), ΔG0
P,T = –237 кДж/моль.
Е0
макс = -(-237000 Дж/моль) / 2 / 96485 Кл/моль = 1,23 В
Козадеров О.А. 201513

14. Равновесное напряжение топливного элемента с кислородом-
окислителем в зависимости от температуры и вида топлива
Козадеров О.А. 201514

15. Основы кинетики
топливного элемента

16. Устройство топливного элемента
и стадии электрохимического процесса
Планарная структура ТЭ Поперечное сечение ТЭ
Козадеров О.А. 201516
(1) транспорт реагентов
(2) электрохимическая реакция (перенос заряда)
(3) ионный перенос в электролите
(4) удаление продукта

17. Рабочее напряжение ТЭ
U = 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. 201517

18. Рабочее напряжение ТЭ
Козадеров О.А. 201518

19. Ток утечки (ток побочных процессов)
Козадеров О.А. 201519
iобщая = iизмеряемая(полезная) + iутечки

20. 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. 201520
 
 
1-α nFαnF
η η
0 RT RT
i=i e - e

21. 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. 201521

22. Как снизить концентрационные потери?
1. Принудительная
конвекция
2. Увеличение
предельной
плотности тока
 высокие
концентрации
реагента
 высокие значения
коэффициента
диффузии реагента
 снижение толщины
диффузионного слоя
Козадеров О.А. 201522

23. 1. Запишите уравнение Нернста для водородно-
кислородного топливного элемента
2. Рассчитайте рабочее напряжение такого
элемента при плотности тока 1 мА/см2, если
 давление водорода и кислорода = по 1 атм
 активность воды = 1
 общее сопротивление элемента = 30 Омсм2
 суммарные активационные и
концентрационные потери составляют 200 мВ
Задание
Козадеров О.А. 201523