Паливний елемент

Реферат: Паливний елемент містить пористі електроди з каталізатором, мембрану і реагент. Електроди виконані із черні благородного металу, мембрана виконана із силікону, а як реагент використовують воду. UA 111159 U (12) UA 111159 U UA 111159 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки, вимірювальної техніки, зокрема до джерел живлення - паливних елементів, і може бути використаний для отримання, виміру і контролю вмісту водню в газах та рідинах, наприклад, при отриманні, вимірі і регулюванні складу газового середовища в різних технологічних процесах. Відомі паливні елементи складаються з пористих електродів в оболонці - анода, катода, мембрани і реагенту. Основна відмінність ПЕ від гальванічних елементів полягає в тому, що в них використовуються електроди, що не витрачаються, тому вони можуть працювати довгий час. Реагенти в ПЕ надходять під час роботи, а не закладаються заздалегідь. Найбільш освоєні паливні елементи працюючі на водні і кисні. У пористих електродах здійснюється контакт газу (реагенту), електроліту (мембрани) і електронного провідника. При цьому виробляється електрична енергія [Кузьмінський Є.В. Паливні елементи. 1. Сучасний стан розроблення / Є.В. Кузьмінський, К.О. Щурська, І.А. Самаруха // Відновлювальна енергетика. - 2013. - № 1. - С. 9096]. Найближчим аналогом є паливний елемент, що містить пористі електроди з каталізатором і оболонкою, мембрану і електроліт. Чарунка складається з пакета послідовно зібраних мембран і електродів, притиснутих через ущільнюючі елементи силовими пластинами з струмовідвідними елементами. На кінцях чарунки розміщені пластини з газовими каналами [Сучасний стан та перспективи розвитку паливних елементів / Р.А. Білоконенко // Відновлювальна енергетика. - 2009. - № 1. - С. 83-93]. Недоліком даного паливного елемента є неможливість використання води як реагенту. В основу корисної моделі поставлена задача створити паливний елемент як реагент, в якому виступає вода при нормальних температурних умовах (20 градусів Цельсія). Поставлена задача вирішується тим, що паливний елемент включає пористі електроди з каталізатором, мембрану і реагент, електроди виконані із черні благородного металу, мембрана виконана із силікону, а як реагент використовують воду. Згідно з корисною моделлю, електроди можуть бути виконані із дисперсного порошку благородного металу. Виконання електродів із черні благородного металу (срібло або платина) дозволяє підвищити каталітичні властивості електрохімічного процесу, що протікає на межі водаелектрод-мембрана, а також збільшити продуктивність паливного елемента за рахунок збільшення робочої площі електродів. Використання силікону як протонопровідної мембрани дозволяє реалізувати конкретний електрохімічний процес, що протікає на межі вода-електрод-мембрана. Використання води як реагенту електрохімічного процесу дозволяє набагато здешевити паливний елемент і розширити сфери його використання. Використання дисперсного порошку із благородних металів як електродів також дозволяє реалізувати конкретний електрохімічний процес, що протікає на межі вода-електрод-мембрана, але, при цьому, електричні характеристики паливного елемента дещо нижчі. На кресленні приведена конструкція паливного елемента. Паливний елемент (див. креслення) складається із протонопровідної трубки 1, внутрішнього електрода 2, притиснутого до протонопровідної трубки 1 камерою подачі води 4, зовнішнього електрода 3, притиснутого до протонопровідної трубки 1 зовнішнім корпусом 5. В стінках камери подачі води 4 виконані внутрішні капіляри 6 для забезпечення доступу води до внутрішнього електроду 2. В зовнішньому корпусі 5 виконані зовнішні капіляри 7 для підводу водню безпосередньо із повітря. Внутрішній струмовідвід 8 і зовнішній струмовідвід 9 забезпечують електричний контакт електродів з зовнішньою електричною мережею. Паливний елемент працює таким чином. При підведенні води в камеру подачі води 4 на межі трьох фаз: вода-внутрішній електрод-мембрана, відбувається дисоціація молекул води на молекули водню і кисню, подальша іонізація молекул водню на іони за рахунок каталітичної дії електроду. Іони водню вбудовуються в решітку протонопровідної мембрани 1. При цьому на внутрішньому електроді конденсуються вільні електрони в кількості, пропорційній кількості іонів водню, що утворилися при іонізації. Такі ж процеси відбуваються і на зовнішньому електроді 3. Протонопровідні мембрани дозволяють реалізувати процес електролізу води в низькотемпературному режимі. Блок відкачування водню з води при цьому можна використати як окремий пристрій. Згідно рівняння Нернста на електродах водневого елемента виникає електрорушійна сила (ЕРС): RT C1 E  1  2  ln nF C2 , 1 UA 111159 U де C1 - 66,6 % Н2 (об'ємна доля водню у воді); C2 - 0,3 % (об'ємна доля водню у повітрі). На електроді 2 виникає потенціал 2 : 2  5 10 15 RT ln 66,6  0,053 (B) 2F . На електроді 3 виникає потенціал 3 : RT 3  ln (0,3)  0,01515 (B) 2F ,  де R - газова стала ( R  8,31Дж / Моль * К ); T - температура ( Т  293,15К(20 С) ); F F  9,65  10 4 Кул моль ). постійна Фарадея ( Тоді напруга на електродах 2 і 3, як різниця потенціалів складає 68 мВ: EH2  2  3  0,053  9  0,015 )  0,068 B . Можливі і інші приклади виконання паливного елемента. Так при подачі води не на внутрішній електрод, а на зовнішній суттєво спрощується реалізація комбінованого джерела живлення з використанням окремих однотипних блоків з паливних елементів. Це дозволяє забезпечувати необхідні загальні вихідні напруги та струми комбінованого джерела живлення для кожного конкретного випадку. При підведенні до електродів постійної напруги певної величини паливний елемент можна використовувати як генератор водню надвисокої чистоти. Запропонований паливний елемент можна використовувати для отримання і виміру водню, наприклад, контролю поточної атмосфери в побутових і технічних приміщеннях, в промисловості, в медицині. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 1. Паливний елемент, що містить пористі електроди з каталізатором, мембрану і реагент, який відрізняється тим, що електроди виконані із черні благородного металу, мембрана виконана із силікону, а як реагент використовують воду. 2. Паливний елемент за п. 1, який відрізняється тим, що електроди виконані із дисперсного порошку благородного металу. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2