Инструкция к тормозным колодкам ADVICS (стр. 3 )

2Н2 + О2 = 2Н2О + Q  (1)

Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла.

Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировался электрический ток? Можно ли обеспечить протекание такого процесса?

2Н2 + 4ОН - → 4Н2О + 4е-  (2)

Для этого надо свести вместе три фактора: газ (водород), источник ионов ОН - (электролит – раствор гидрооксида в воде) и электрод, который примет образующиеся в реакции электроны. Чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела «металл-электролит-газ» необходимо непрерывно подводить ионы ОН - и отводить электроны е-. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь. К специально подобранному электроду необходимо подводить кислород или воздух, чтобы там протекала реакция:

4е - + О 2 + 2Н 2 О  → 4ОН-  (3)

В сумме реакции (2) и (3)  дают реакцию:

2Н 2 + О 2 →2Н 2 О  (4) 

То есть уравнение (4) это реакция  (1) горения водорода, однако, в водородно-кислородном топливном элементе, энергия химической реакции преобразуется уже в основном не в тепло, которое трудно использовать, а непосредственно в электрическую энергию.

  В 1893 году немецкий физик и физикохимик Нернст (1864-1941) вывел теоретически уравнение (оно носит его имя), определяющее величину электродвижущей силы (Е) электрохимического элемента. При помощи этой формулы Нернст численно рассчитал количество электрической энергии, которое получается при электрохимическом соединении угля с кислородом.

Результат был ошеломляющим. Нернст показал, что если бы удалось превратить химическую энергию угля в электричество электрохимическим путем (подразумевается, в топливных элементах), то максимальный теоретический коэффициент  полезного действия  (КПД) такого процесса составил бы 99,75%. Почти 100%, вот оно первое из многих достоинств топливных элементов!

В них, в отличие от паровой и прочих  тепловых машин энергия вроде бы практически не теряется.

Для сравнения, в современных паротурбинных блоках тепловых  и атомных электростанций идеальный КПД составляет 64%. Но 64%- это оценка сверху! Реальные цифры оказываются значительно меньшими. Для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания  реальный КПД (в среднем) не превышает 30%,а для более совершенных устройств – паровых и газовых турбин - 40%.

ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Водородно-кислородный топливный элемент - химический источник тока. Он состоит из двух полуэлементов. В одном происходит полуреакция окисления, в другом – полуреакция восстановления.

В этой системе мы имеем дело с двумя газовыми электродами: водородным и кислородным. Газовые электроды представляют собой полуэлементы, состоящие из инертного металла, насыщенного данным газом и погруженные в электролит, содержащий ионы этого газа.

Электрод, на котором происходит окислительный процесс, называется анодом, в нашем случае это водородный электрод:  Н+│ Н 2│ Рt  (-)

Электрод, на котором происходит восстановительный процесс, называется  катодом, в нашем случае это кислородный электрод: ОН-│ О2│ Рt  (+)

Кислородно-водородный топливный элемент запишем таким образом:

  (-)  Pt│ H2│H 2O│O2 │Pt  (+)

Напишем токообразующую реакцию (суммарную реакцию, протекающую в системе):

  (-)  Н 2 – 2е-→ 2Н+ 

  (+)  Ѕ О2 + 2е-+ Н2О→2ОН-

  —————————————

  Н 2+ Ѕ О2  +Н2О→2Н2О  или

  Н2+1/2О2→Н2О 

Воспользуемся термодинамической формулой Нернста для написания формулы электродвижущей силы (э. д.с.) кислородно-водородного топливного элемента.

  Е = Ео +( RT/2F) ·ln (pH2 · pO2 1/2/аН2О)

Где,  Ео= еоО  - еоН = 1.228 В

еоО = 1,228 В – стандартный потенциал кислорода для данного электродного процесса.

еоН = 0  В  - стандартный водородный потенциал.

аН2О – активность молекул воды,  т. к.  вода  плохо  проводит  ток,  принимаем

равной 1.

pH2  и  pO2  - концентрации газов. 

Тогда формула примет вид:

Е = 1,228+(RT/2F)·ln(pH2 ·pO21/2 )

Из формулы следует, что электродвижущая сила кислородно-водородного топливного элемента зависит, при определенной температуре, от концентрации газов, принимающих участие в электрохимической  реакции. Так как, повысить концентрацию газов  можно только при увеличении давления в подаваемых  газах, следовательно, электродвижущая сила данного топливного элемента зависит от величины давления водорода и кислорода. Чем выше давление газов, подаваемых в систему, тем выше значение электродвижущей силы.

Еще один момент, вода – плохой электролит, она плохо проводит электрический ток,  поэтому электродвижущая сила будет тратиться на преодоление омического сопротивления внутри электрохимической системы. В систему необходимо вводить вещества, проводящие электрический ток. Чем выше концентрация молекул воды, тем выше будет омическое сопротивление, тем ниже значение э. д.с., следовательно, излишки воды требуется удалять из системы.

Взглянем еще раз на формулу. Значение э. д.с. Е зависит  и от температуры Т системы, чем выше  значение температуры, тем выше значение э. д.с..

Подведем итог сделанным нами выводам.  Электродвижущая сила водородно-кислородного топливного элемента  должна  повышаться:

при  использовании более высоких температур в системе;

при повышении давления вводимых в систему компонентов: водорода (топлива) и кислорода (окислителя);

при увеличении  электропроводности  системы.

ПЕРВОЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Первое практическое применение топливные элементы нашли не на земле, а в космосе, там  его достоинства засверкали яркими красками.

В1963-1964 годах только в США на исследования по топливным элементам ежегодно шли десятки миллионов долларов. И такие исследования велись во всех развитых странах мира. В середине 60-ых годов 20 века  в США проблемой топливного элемента занимались около 60 организаций. Например, в крупной американской промышленной фирме «Пратт – Уитни», работавшей тогда на космос, над созданием электрохимических генераторов (ЭХГ). Так называют топливные элементы, если их рассматривать вкупе с автоматикой, системами отвода тепла, продуктов химических реакций и прочими вещами, неизбежными, если речь идет о мощных автономных источниках энергии. Над ЭХГ трудились тысячи ученых и инженеров. Для изготовления топливных элементов эта фирма  располагала специальным заводом площадью 16 тысяч квадратных метров. А за участие в проекте «Аполлон» фирма получила от НАСА 100 миллионов долларов.

Парадокс – сработанные только вчера и вчерне, не обстрелянные топливные элементы должны были использоваться  в космической технике, где к любой аппаратуре предъявляются сверхжесткие требования.

КОСМИЧЕСКОЕ ТОПЛТВО

В космос, кроме самой батареи топливных элементов, необходимо брать еще и топливо – водород,  и окислитель – кислород. Велик ли расход топлива и окислителя при работе топливных элементов? И сколько водорода и кислорода надо взять в космос?

Используя объединенную формулу I и II законов Фарадея, сделаем расчет потребности водорода и кислорода при работе водородно-кислородного топливного элемента.

m= (M/ n F) I t

где  m – масса вещества, прореагировавшего на электроде;

  М – молярная масса этого вещества,

  n– число электронов, участвующих в процессе,

  I – сила тока (А),

  t – время электролиза (с);

  F– постоянная фарадея (96 500 Кл/моль). 

Еще раз запишем процессы, протекающие на электродах топливного элемента:

  (-)  Н2 – 2е-→ 2Н+ 

  (+)  Ѕ О2 + 2е-+ Н2О→2ОН-

МН2=2 г

МО2=32:2=16 г

n =2 электронам

При выделении количества электричества равного 1F, при силе ток 1А за 1сек., на аноде прореагирует: mН2=2:2=1 г водорода; на катоде: mО2= 16:2=8 г кислорода

В топливном элементе водород, каждый его атом, превращаясь в анион, посылает во внешнюю цепь один электрон. Поэтому, когда прореагирует 1 грамм водорода  (грамм-атом!), по цепи пройдет ровно 6·1023 электронов, что эквивалентно 96 500 ампер-секундам (кулонам) или  26,8 ампер-часам (т. к. в 1 часе 3600 секунд, то 96500:3600=26,8). Такое количество электричества в честь Фарадея названо фарадеем и обозначается символом F.

Это события на водородном электроде (аноде).

На кислородном же электроде (катоде) - в водородно-кислородном топливном элементе -  каждая молекула кислорода захватывает 4 электрона. Поэтому для получения 1F электричества нужно затратить ј  моля кислорода, или, что тоже, восемь граммов. Расход кислорода по весу получился в восемь раз больше расхода водорода.

Если обобщить рассуждения, то можно сказать, что для получения 1F электричества из любого вещества надо затратить в электрохимическом устройстве М/n граммов этого вещества, где  М означает молярный вес вещества, а  n  -  число электронов, участвующие в окислении или восстановлении одного моля вещества.

Теперь оценим расход топлива и окислителя не на определенное количество электричества, а на определенное количество электрической энергии, например на 1 киловатт-час.

Количество выработанной электроэнергии – мощность (W) – это произведение количества электричества на напряжение источника.

W = I U t (Ватт), где t – время (с);

  I – ток (А);

  U – напряжение источника (В).

1 кВатт-час = 1 000 · 3 600 = 3 600 000 Ватт (Джоуль)

Следовательно, если допустить, что напряжение источника равно 1 В, то на 96 500 Ватт будет израсходовано: 1 грамм водорода и 8 грамм кислорода.

Для выработки 1 к Ватт-час электроэнергии при напряжении источника 1 В потребуется: