Fuel Cells - Electrochemical Power

Принципы работы топливного элемента

Топливный элемент – это электрохимический преобразователь энергии. Он конвертирует химическую энергию в электрическую энергию с помощью двух электрохимических реакций. В топливном элементе с твердополимерной мембраной (PEMFC), использующем в качестве топлива водород, последний окисляется на аноде с образованием протона и электрона. Протон диффундирует через мембрану к катоду. Поскольку мембрана является электрическим изолятором, то электроны вынуждены направляться во внешнюю электрическую цепь. На катоде кислород реагирует с протонами, производя воду, которая и является единственным побочным продуктом в таком водородном PEMFC, (смотри рисунки)

Водород окисляется на аноде до протона:

H₂ 2H⁺ + 2e^-

в то время как кислород восстанавливается на катоде:

½O₂ + 2H⁺ + 2e^- H₂O

Полная реакция в ячейке:

H₂ + ½O₂ H₂O

Из кислорода и водорода мы получаем воду, тепло и электроэнергию. Имеются другие топлива, электролиты и переносящие заряд ионы в других типах топливных элементов, но принцип остается тем же самым.

Движущей силой в топливном элементе является природное стремление системы к минимуму свободной энергии. Водород и кислород, находясь вместе, представляют нестабильную систему и самопроизвольно образуют воду в восстановительной реакции. Продукт этой реакции вода имеет более низкую свободную энергию, чем реагенты водород и кислород (смотри рисунки) и поэтому является более предпочтительной. Реализуя эти реакции восстановления и окисления на разных сторонах электролита, можно энергетическую разницу между исходными реагентами и продуктами реакции конвертировать в электричество.

Максимальное рабочее напряжение единичного топливного элемента оказывается менее 1 В. Для практических целей большое число единичных топливных элементов объединяют в один. Это делается в большинстве случаев путем последовательного соединения элементов с образованием так называемой сборки. Изменяя число и размер единичного элемента, можно создать системы топливных элементов, годящиеся для любого типа применений.

К началу