3. Паливні елементи

Водень є оптимальною сировиною для паливних елементів, в яких електричний струм генерується з хімічною енергією споживаних компонентів, минувши теплову енергію. Пряме перетворення хімічної енергії в електричну відбувається в паливних елементах без втрат, пов'язаних з необхідністю віддавати частину підведеної теплоти в довкілля по другому закону термодинаміки, тому паливні елементи мають високий ККД. При їх роботі практично не забруднюється довкілля. За принципом дії робота паливного елементу протилежна до електролізу води.

Воднево-кисневий паливний елемент (рисунок 3.1) працює таким чином. Посудина заповнена електролітом – наприклад, розчином сірчаної кислоти слабкої концентрації. В елемент вбудовані каталітично активні платинові електроди, один з яких є анодом, інший катодом. Вони сполучені зовнішнім електричним ланцюгом.

Рисунок 3.1 – Схема роботи воднево-кисневого паливного елемента

Електроди розділені напівпроникною мембраною. До одного електроду подається водень, до іншого – в еквівалентних кількостях кисень. На катоді молекули водню Н₂ завдяки каталітичній дії платини розпадаються на атоми, які переходять в іони ⁺Н. Електрони, що звільнилися, через зовнішній ланцюг спрямовуються до анода, створюючи в ланцюзі електричний струм. Позитивні водневі іони проходять через напівпроникну мембрану в іншу половину судини. На аноді електрони, що прийшли по електричному ланцюгу, атоми кисню і позитивні іони водню утворюють нейтральні молекули води Н₂О, що поступають в розчин. Включене в електричний ланцюг навантаження споживає електроенергію, що виробляється паливним елементом.

В результаті реакції хімічна енергія пари реагентів водень-кисень перетворюється на електроенергію. Напруга в ланцюзі одного паливного елементу складає близько 1 В, тому елементи об'єднуються в батареї. ККД сучасних воднево-кисневих паливних елементів складає близько 80%.

Як вихідний енергоносій для паливних елементів можуть використовуватися окрім водню інші горючі гази, дешевші і доступніші. Як електроліт можуть застосовуватися розчини солей, що дозволяє підвищити температуру і швидкість хімічного перетворення. Паливні елементи поки що дорогі, і тому застосовуються в основному там, де ціна не грає вирішальної ролі (наприклад, в космічній техніці). Крупні транснаціональні компанії ведуть роботи по вдосконаленню процесів здобуття і використання водню і паливних елементів. Хоча водень і не відноситься до первинних енергоносіїв, його використання дає можливість істотно підвищити якість енергоспоживання і енерготехнологій.

Рисунок 3.2 – Фото водневої заправки в Рейк’явіку (Ісландія)

Перейти до початку посібника