“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