Электрохимические процессы в топливных элементах

В монографии изложена теория капиллярного равновесия и гистерезиса в пористых средах. Подробно проанализированы капиллярные явления в модельных системах простой геометрии (мениск, капля и т. п.). Проведены экспериментальное и теоретическое исследования тонких пленок жидкости, стабилизированных градиентом поверхностного натяжения. Развита теория гидродинамического перемешивания в пористых катализаторах (гл. 2—6). Изложенные в этих главах результаты имеют общий интерес, а также используются в исследованиях электрохимических генераторов — топливных элементов. Фронт исследований, непосредственно связанных с проблемой создания топливного элемента, в течение последних лет неуклонно расширяется. Эта проблема, сложность которой становится все очевиднее, включает в себя три основных раздела. Первый — изучение электрохимической кинетики наиболее перспективных систем на гладких электродах. Второй — макрокинетическое исследование процессов в пористых средах, с учетом транспортных стадий и микрокинетики. И, наконец, третий — разработка технологии, инженерный расчет и конструирование батарей, вспомогательных устройств и систем автоматики. [c.3]

Существуют четыре основных вида электрогенерирующего оборудования, отапливаемого газом парогазовая турбина, газовый двигатель, газовая турбина и топливные элементы. В первых трех осуществляются процессы окисления углеводородов воздухом и преобразования тепловой энергии продуктов сгорания в механическую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Топливные элементы принципиально отличаются от остальных видов электрогенерирующего оборудования тем, что в них в процессе электрохимического окисления топлива осуществляется прямая генерация электроэнергии. Теоретически топливные элементы должны быть гораздо экономичнее тепловых преобразователей энергии. [c.329]

Значительный вклад в развитие электрохимии внесли также русские ученые. В. В. Петров (1761—1834) изучал электропроводность растворов, химические действия электрического тока, электрические явления в газах и т. п. С помощью созданного им крупнейшего для того времени химического источника тока в 1802 г. он открыл электрическую дугу. Б. С. Якоби (1801—1874) в 1834 г. изобрел электродвигатель, работавший на токе от химического источника. В 1838 г. он предложил гальванопластический метод (см. разд. У.П). П. Н. Яблочков (1848—1914) изобрел электродуговую лампу (1875 г., свеча Яблочкова ), работал над созданием химических источников тока, выдвинул (1877 г.) идею создания топливного элемента (см. разд. А.12). Н. А. Изгарышев (1884—1956) развил теорию химического источника тока, работал над проблемой защиты металлов от коррозии, открыл явление пассивности металлов в неводных растворах электролитов, и по праву считается одним из основателей электрохимии неводных растворов. А. Н. Фрумкин (1895—1971) разрабатывал вопросы кинетики электрохимических процессов, развил теорию строения двойного электрического слоя. [c.233]

Кислородно-водородный элемент со щелочным электролитом — один из наиболее перспективных современных топливных элементов. Его преимущества заключаются в относительной простоте конструкции, высокой степени надежности, возможности использовать газы без специальной очистки и при низком парциальном давлении, включая использование атмосферного кислорода. Электрохимический эквивалент кислорода значительно ниже, чем у других катодных активных материалов — 0,298 г/(А-ч), а электрохимический эквивалент водорода составляет всего 0,038 г/(А-ч). Кроме того, этот элемент сохраняет достоинства лучших топливных элементов других систем непрерывность работы в течение относительно длительного времени, отсутствие вредных выделений, высокий коэффициент использования активных веществ, стабильность напряжения в процессе разряда как показатель стационарности системы. [c.256]

Понимание механизма превращения химической энергии в электрическую важно для конструирования электрических батарей и топливных элементов, для изучения процессов электроосаждения, коррозии, для получения чистых металлов (например, производство алюминия) и электрохимических методов анализа. Настоящая глава посвящена термодинамике таких процессов. [c.182]

Топливные элементы. Если вместо расходуемых электродов в элементе применяют нерасходуемые, а реагенты хра нят вне элемента и подают в него в процессе работы, то такое устройство называют топливным элементом (ТЭ). В ТЭ электроды служат проводниками первого рода и катализаторами электрохимических реакций. В качестве примера рассмотрим работу кислородно-водородного ТЭ с щелочным электролитом (водным раствором КОН). [c.8]

Маркин В. С. Капиллярные явления в распределенных электрохимических системах. — В кн. Топливные элементы. Кинетика электродных процессов. — М. Наука, 1968, с. 48—75. [c.442]

С тех пор как экспериментальная работа была прекра-щена, встал вопрос о том, в каком направлении должны прО водиться дальнейшее исследование и разработка топливных элементов. Во-первых, было ясно, что инженеры не согласятся с использованием топливных элементов этого типа для аккумулирования энергии, особенно на средствах передвижения, отчасти вследствие весьма высокой стоимости водорода и кислорода, получаемых электролизом воды, а отчасти вследствие большого веса и размера газовых баллонов если только не будет изобретен какой-нибудь совсем новый метод хранения водорода, неизбежно придется обратиться к использованию экономически доступных жидких топлив. Поскольку непосредственное применение углеводородов и даже метанола в элементе этого типа сопряжено с трудностями, считают, что наилучшим решением является следующее конвертировать жидкое топливо, такое, как метанол, в смесь водорода и двуокиси углерода (плюс небольшой процент примесей), отмыть большую часть двуокиси углерода, положим, с помощью моноэтаноламина, а водород использовать электрохимически в элементе (см. фиг. 151). И наконец, если бы удалось изготовить электроды, которые из газовой смеси электрохимически окисляли бы водород и отбрасывали все остальное, это позволило бы избежать процесса очистки. Несколько лет назад были проведены опыты по использованию водорода, смешанного с окисью углерода, количество которой доходило до 10%, и результаты получились такие же, как при работе с чистым водородом, хотя следует признать, что длительных испытаний проведено не было. Значит, почти несомненно, что при этих условиях пористые никелевые электроды не отравляются окисью углерода но, чтобы определить, оказывают ли вредное воздействие на электрод какие-нибудь примеси, которые могут присутствовать в газовой смеси, следовало бы провести испытания на длительность работы в течение нескольких сотен часов нужно было бы также определить скорость карбонизации раствора гидроокиси калия и разработать практический метод регенерации КОН. [c.393]

Под электрохимическим аккумулированием энергии понимают, например, накопление водорода и кислорода (с раздельным хранением), получаемых в процессе электрохимического разложения воды, и последующее получение электроэнергии путем взаимодействия этих газов в топливном элементе [21]. [c.310]

Ингибирование анодного окисления простых органических веществ рассматривается здесь, а не в гл. XI, так как эти вещества, по-видимому, диссоциируют при адсорбции на твердых электродах (см. ниже). Литературы, посвященной этому типу анодных процессов, становится все больше в связи с возникшим интересом к топливным элементам. По-видимому, остаются неопубликованными многие работы по электрохимическому окислению низших алифатических углеводородов из-за возможности [c.304]

Основные качества и преимущества в работе электрохимического генератора 1) высокий КПД, который не ограничивается циклом Карно. Современные топливные элементы (вал<но, что в них нет никаких движущихся частей) имеют КПД порядка 60 %, однако уже достигнуты КПД до 83 % 2) полное отсутствие шума при работе 3) возможность продолжительной непрерывной работы из-за несложности организации непрерывного водородного питания 4) способность к значительным и продолжительным перегрузкам без заметного снижения напряжения 5) умеренные рабочие температуры и давления в процессе 6) отсутствие каких-либо вредных выделений в окружающую среду 7) возможность использования в качестве окислителя кислорода воздуха. [c.554]

В топливном элементе мы встречаемся с необычным видом электродных процессов — электрохимическими реакциями на электродах-катализаторах. В связи с этим раздел электрохимии, занимающийся исследованием механизма процессов, которые протекают на электродах с высокой каталитической активностью, предложено назвать электрокатализом. Этот раздел является пограничной областью между электрохимией и учением о катализе. [c.106]

Такое положение определяется тем, что с О2 и промежуточным продуктом его восстановления — Н2О2 связаны важнейшие вопросы электрохимической энергетики (топливные элементы и электролиз воды), энергетика живых организмов, ряд технологических процессов от отбелки целлюлозы до микробиологического синтеза. [c.146]

Пользуясь законами электрохимии, можно конструировать и создавать гальванические элементы и батареи, позволяющие получать электрическую энергию в небольщих количествах в нужном месте, а также использовать электрическую энергию для проведения желаемых химических реакций. Примерами таких процессов являются электроосаждение и рафинирование меди. Электрохимические реакщш могут также использоваться в целях предотвращения коррозии металлов с низкими восстановительными потенциалами. Однако пока еще не удалось создать дешевой и легкой аккумуляторной батареи с большой плотностью энергии, а также электрохимических топливных элементов, работающих на широко доступных веществах. [c.195]

Взаимодействие водорода с кислородом может протекать со значительной скоростью и при невысоких температурах, если используются соответствующие катализаторы, Именно к этому сводится процесс электрохимического горения водорода в водород-кислород-ных топливных элементах. Самопроизвольное протекание такого процесса при р = onst свидетельствует [c.116]

Создание целого ряда источников тока, в частности электрохимических генераторов на углеводородном горючем, непосредственно упирается в необходимость увеличения скоростей соответствующих электродных процессов. Поэтому одним из важных направлений современных электрохимических исследований в области топливных элементов является изыскание новых эффективных и малодефицитных катализаторов. [c.227]

Многие практически важные электрохимические процессы (производство алюминия, магния, щелочных металлов, свободных галогенов, рафинирование металлов и др.) осуществляют в расплавах электролитов. Расплавы электролитов используют также в ядерной технике и в топливных элементах. Основными составными частями расплавленных электролитов являются ионы, на что указывает прежде всего высокая электропроводность расплавов. Поэтому расплавленные электролиты называют ионными жидкостями. Ионные жидкости можно разбить на два класса 1) расплавы солей и их смесей 2) расплавы окислов и их смесей. Этот класс ионных жидкостей приготавливают смещением окислов неметаллов (SiOj, [c.89]

Пособие, написанное учениками основоположника современной пюретическон электрохимии академика А, Н, Фрумкина, посвящено наложению теоретических основ электродных процессов в растворах органических веществ. Актуальность рассматриваемых проблем С1 язана с широким применением органических соединений в прикладной электрохимии для регулирования свойств электролитических покрытий и ингибирования коррозии, в органическом электросинтезе, в топливных элементах и химических источниках тока, В книге изложены методы изучения адсорбции органических соедпненггй и закономерности обратимой и необратимой адсорбции на электродах, влияние обратимой адсорбции на две стадии электродного процесса — массопереноса и разряда — ионизации, закономерности электрохимических реакций с участием органических соединений. [c.2]

По прогнозам ряда ведущих ученых роль электрохимии в народном хозяйстве будет возрастать. Считают даже, что по мере истощения запасов природного топлива человечество вступит в атомно-электрохимическую эру. Электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями, будет использоваться тогда для генерации водорода электролизом воды, водород заменит природный газ и углеводороды и будет применяться в водородно-кислородных топливных элементах. Будут реализованы на практике процессы электролиза воды в фотоэлектрохимических системах, преобразующих солнечную энергию. Возрастет роль химических источников тока, удельные характеристики которых будут приумножены. Электрохимия, станет основой многих экономичных н экологически чистых технологических процессов, а разработанные электрохимикам методы навсегда покончат с проблемой коррозии. Ученые познают природу электрохимических процессов в живом орг ч из.ме и поставят достижения биоэлектрохчмин на службу человечеству. [c.286]

Есть и другой тип — высокотемпературные элементы. В них вместо водного раствора электролитом служит расплавленный или твердый проводник, в котором ток переносят не электроны, а заряженные атомы или группы атомов. Подобные элементы рассчитаны на работу при 600—900 °С. При таких относительно высоких температурах электрохимические реакции идут быстрее и по1до брать материал электродов довольно просто. У высокотемпературных элементов есть важное преимущество. В них можно использовать более широкий круг горючих, в том числе особенно перспективное. горючее — окись углерода в виде генераторного газа. Он будет окисляться на отрицательном электроде в углекислоту, которую можно затем сиользовать для газификации твердого топлива и получения из него новых порций генераторного газа. Топливо при этом подогревается избыточным теплом, выделяющимся три работе элемента. Такой круговой процесс позволяет использовать в топливном элементе, [c.140]

Топливные элементы и электрохимические эиергоустановки. Если окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать длительное время. Такие элементы называют топливными. В топливных элементах химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. Удельная энергия топливных элементов зачительно выше гальванических. В топливных элементах используют жидкие или газообразные восстановители (водород, гидразин, метанол,углеводороды) и окислители (кислород и пероксид водорода). [c.411]

В дайной главе обобщены сведеиия об электрохимическом поведении углеводородов, причем особое внимание уделено электродным процессам, включающим селективное окислеиие угле-водородоБ с образованием одиого или нескольких определенных органических продуктов. Технически важная проблема каталитического окисления углелодородов до диоксида углерода и воды на электродах-катализаторах в топливных элементах здесь не будет рассматрива1ься (см, обзор [1]). [c.398]

В последнее время затрачиваются большие усилия на создание так называемых топливных элементов, т.е. электрохимических элементов, требующих в процессе своего действия постоянного расходования электродного вещества. В одном из простейших топливных элементов происходит поглощение водорода и кислорода в присутствии щелочного раствора. Газы поступают в элемент сквозь пористые угольные элек- [c.297]

Еще в 1839 г. Грове получил ток от кислородно-водородного элемента. Однако он не представлял себе возможности практиче,-. ского использования подобного источника тока. Попытку создания топливного элемента, пригодного для практики, впервые осущест-5 вил Павел Николаевич Яблочков. Им были разработаны в 1895 г." элементы с газовыми электродами. Теоретические вопросы, связан- ные с созданием топливных элементов, изучали многие крупные зарубежные ученые — Оствальд, Нернст, Грубе и другие и СССР — Фрумкин и ряд ученых его школы. Особенно большое внимание разработке топливных элементов стали уделять после второй мировой войны. Над этой проблемой работает ряд коллек-] тивов исследователей. Однако применение топливных элементов, пока еще очень ограничено. В настоящее время называют топливными элементами все элементы, в которых активные материалы не заключены в самом элементе, а подаются в него непрерывно. Системы из топливных элементов и относящихся к ним вспомогательных устройств, например для регулировки давления газов, называют электрохимическими генераторами энергии. В качестве окислителя на положительном электроде в топливных элементах чаще всего используют кислород. Существуют элементы с жидкими окислителями — азотной кислотой и др., но они не получили пока распространения. Работа кислородного электрода была рассмотрена ранее. На отрицательном электроде в качестве активных веществ (топлива) используют газообразные (водород), жидкие (метанол, гидразин и др.) и твердые вещества. Некоторые виды топлива (метан, уголь) электрохимически инертны, их ионизация протекает так медленно, что практически процесс не осуществим без принятия специальных мер. Для ускорения реакции используют два способа электроды изготавливают из веществ, каталитически ускоряющих процесс, и работа ит при повышенных температурах. [c.352]

Схема хемиосмотического сопряжения Митчелла показана на-рис. 13.7. Сопрягающей системой является мембрана. Донор водорода АНа (например, аскорбат) окисляется переносчиком электронов (например, цитохромом с) у внешней стороны мембраны,-Два электрона переносятся через мембрану по дыхательной цепп и посредством цитохромоксидазы передаются акцептору водорода В, т. е. кислороду. Акцептор присоединяет два протона из внутренней фазы митохондриального матрикса. Создается градиент концентраций протонов — их избыток во внешней и недостаток во внутренней жидкой фазе. Вследствие этого пронсходит перенос протонов через мембрану в противоположном направлении, в результате чего и реализуется фосфорилирование. Синтез одной молекулы АТФ приводит к поглощению днух протонов из внешней фазы и выделению двух протонов в матрикс. Митохондриальная мембрана работает как топливный элемент, в котором, разность электрохимических потенциалов создается за счет окислительно-восстановительного процесса. [c.433]

Согласно кратко рассмотренным в разд. 1.42 принципам классификации топливных элементов, Юсти, Шайбе, Винзель и др. разработали газовые диффузионные электроды отдельно для водорода и кислорода. Эти электроды уже при температуре окружающей среды и умеренном избыточном давлении сочетают в себе такие оптимальные качества, как большая предельная плотность тока, незначительная поляризация, 100%-ный к. п. д. по току, почти абсолютная реализация идеального электрохимического процесса (с водой в качестве конечного продукта), максимальная аккумулирующая способность и способность к перегрузке, высокая устойчивость к отравлению и длительный срок службы причем псе это достигнуто при отказе от таких дорогостоящих конструкционных материалов, как редкие металлы. На усовершенствование технологии таких ДСК-электродов Немецкое трудовое объединение за 10 лет (с 1950 по 1960 г.) затратило больше труда, чем все существовавшие ранее группы вместе взятые. [c.86]

В связи с исследованиями топливных элементов большое внимание привлекли к себе работы по пористым электродам, обеспечивающим подвод газов, используемых в элементах, к активно работающей поверхности электродов [33, 34]. Такие электроды были предложены для целого ряда процессов, которые могут протекать с деполяризацией на одном из электродов, например электрохимический синтез хлората натрия с кислородной деполяризацией пористого катода [35, 36] или электрохимическое восстановление органических веществ сводородной деполяризацией пористого анода. [c.41]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология