“Экспериментальное исследование топливного элемента

реклама
“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
Скачать