1. Общая, прикладная и теоретическая физика ПРЕДШЕСТВЕННИКА ПОРТАТИВНОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА

1. Общая, прикладная и теоретическая физика
СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА –
ПРЕДШЕСТВЕННИКА ПОРТАТИВНОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА
Автор −Козионов Михаил Евгеньевич, [email protected], 10 класс, МБОУ
СОШ №2, +7932057697; научный руководитель – Власевнина Вера Павловна, учитель
химии, [email protected], +79222348442.
Актуальность моего исследования определяется тем, что для использования
мобильной и беспроводной бытовой электронной техники необходимы альтернативные
источники питания, и наиболее перспективным является создание топливного элемента.
Целью моего исследования явилось создание топливного элемента
(электрохимического генератора) работающего на этиловом спирте. Исходя из этого,
мною были поставлены следующее задачи:
1. Изучить литературу по данному вопросу;
2. Проанализировать существующие топливные элементы;
3. Сделать простейшую модель электрохимического элемента
Компьютерная индустрия активно трудится над проблемой альтернативных
источников питания, среди которых выделяются топливные элементы. Топливные
элементы — это электрохимические устройства, в которых в электрическую энергию
превращается внутренняя энергия реагентов и, возможно, некоторое количество теплоты
из окружающей среды[1],[2]. За много лет разработок в области топливных элементов,
построены различные типы топливных элементов, в которых в качестве горючего могут
применяться уголь, оксид углерода (II), спирты, гидразин, а в качестве окислителей –
воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота. Их можно классифицировать по
электролиту и виду топлива. Т.к. в топливном элементе конечным продуктом сгорания
водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на
окружающую среду. Основная проблема состоит в нахождении эффективного и
недорогого способа получения водорода. Самым простым по своему устройству является
топливный элемент с протонообменной мембраной [3]. Работает он следующим образом:
попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и
положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная
мембрана, исполняющая роль электролита в обычной батарейке. В силу своего
химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны.
Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный
заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе
получается порядка 1В). Для создания большой мощности, топливный элемент собирают
из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к
катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве
катализатора в таких топливных элементах, как правило, применяются микрочастицы
платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой
катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана производится из
серосодержащего полимера нафиона, ее толщина равна десятым долям миллиметра. При
реакции выделяется и тепло, но его не так уж много, и рабочая температура
поддерживается в области 40–80°С. Другие типы топливных элементов, в основном,
отличаются типом применяемого электролита, но все они требуют в качестве топлива
водород. В качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное
топливо, например, этиловый или метиловый спирт. Но для этого необходимо иметь
топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то
240°С) преобразующий спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Такие устройства хорошо
применять в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а для компактной
мобильной техники таким устройством может быть метаноловый топливный элемент [2].
Я попытался сделать действующий макет топливного элемента малой мощности [6].
Для этого потребовалось несколько кусков пластмассы, активированный уголь, щелочь и
немного этилового спирта, который и будет «горючим» для топливного элемента. Вначале
я сделал корпус топливного элемента — коробочку. Лучше всего сделать корпус из
оргстекла или пластмассы. Важно только, чтобы он не протекал и не проводил
электричества. Толщина наружных стенок примерно 5 мм, а внутренние перегородки
около 3 мм. В одной из наружних стенок просверлил отверстие, в которое ввел
стеклянную сливную трубку. На внутренних перегородках просверлил по нескольку
отверстий небольшого диаметра (расстояние между отверстиями также 5—6 мм).
В отделения II и IV (между первой и второй, третьей и четвертой перегородками) насыпал
активированный уголь (из аптеки). Это — электроды. В камере I будет циркулировать
топливо, в камере V должен быть воздух — поставщик кислорода. Между электродами
должен быть электролит. Чтобы электролит не просачивался в воздушную камеру, уголь
для воздушного электрода (в камере IV) перед засыпкой пропитал раствором – 2 г
парафина в гексане. Такой пропитанный электрод не пропускает жидкость и свободно
пропускает газ. На слой активированного угля положил медные планки с припаянными
проводами и осторожно вдавил их. Через планки ток отводился от электродов. Затем
приготовил топливо. Разбавил этиловый спирт водой (1:3). В полученной смеси растворил
70 г едкого кали (КОН). Электролит приготовил растворением 60—70 г едкого кали
растворением в 200 мл воды. После этого испытал топливный элемент. Одновременно
наливал в корпус топливо (в камеру I) и электролит (в камеру III). Вольтметр,
присоединенный к электродам, показал напряжение 1,2В. Чтобы элемент проработал
некоторое время, использованное топливо нужно отводить, а свежее — постоянно
подливать. Свежее топливо подается из бутылки через резиновую трубку. Скорость
подачи можно регулировать, сжимая трубку. Использованное топливо сливается в стакан.
Но мощность данного элемента невелика. Чтобы загорелась лампочка для карманного
фонарика или завертелся ротор микродвигателя, нужно соединить последовательно два
таких элемента. На электродах сделанного мною элемента протекают следующие
химические реакции. На левом электроде окисляется топливо: молекула спирта теряет два
электрона и превращается в молекулу уксусного альдегида:
С2Н5ОН — 2е → СН3СНО + 2H+
А на правом электроде, воздушном, расходуется кислород воздуха: О 2+ 2Н2О + 4е →4ОН–
Сделанный топливный элемент имеет очень малую мощность и работает сравнительно
недолго. Но можно сделать мощную батарею элементов с длительным сроком службы.
В результате проделанной работы я проанализировал существующие топливные
элементы (по литературным источникам); сделал модель устройства, позволяющего
получить электрическую энергию из этилового спирта. В дальнейшем я планирую
усовершенствовать свое устройство, для того, чтобы получить источник постоянного тока
работающего на этиловом спирте. Сделав его компактным и удобным, можно будет его
использовать как портативное зарядное устройство.
Библиографический список
1. 1.http://ru.wikipedia.org/
2. 2.И.П. Базаров. Термодинамика, М., 1983
3. Водород – кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных
ферментов
4. © 2001–2009 Онлайн Энциклопедия «Кругосвет»
5. Химия и жизнь. Научно–популярный журнал, 2006г., №4
6. Химия и жизнь. Научно–популярный журнал, 1966г., №4