Топливный элемент — это электрохимическое устройство, в котором водород реагирует с кислородом, о...

Топливный элемент — это электрохимическое устройство, в котором водород реагирует с кислородом, образуя воду и постоянный ток. Топливный элемент с протонно-обменной мембраной (PEMFC) мощностью 1 ватт может использоваться в портативных устройствах, таких как сотовые телефоны, а также для питания автомобиля. Внутри PEMFC происходят следующие реакции: Анод: Катод: Общая схема: Ниже показана блок-схема отдельного элемента PEMFC. Полный элемент будет состоять из пакета таких элементов, соединенных последовательно, как показано в задаче 9.19. Элемент состоит из двух газовых каналов, разделенных мембраной, расположенной между двумя плоскими электродами из углеродной бумаги — анодом и катодом, — которые содержат внедренные частицы платины. Водород поступает в анодную камеру и контактирует с анодом, где молекулы катализируются платиной, диссоциируя и ионизируясь с образованием ионов водорода (протонов) и электронов. Электроны проходят через углеродные волокна анода во внешнюю цепь, где они переходят к катоду следующей ячейки в блоке. Ионы водорода проникают из анода через мембрану к катоду. В камеру катода подается влажный воздух, и на катоде молекулы каталитически расщепляются с образованием атомов кислорода, которые соединяются с ионами водорода, проходящими через мембрану, и электронами, поступающими из внешней цепи, образуя воду. Вода десорбируется в катодный газ и выводится из ячейки. Материал мембраны представляет собой гидрофильный полимер, который поглощает молекулы воды и облегчает перенос ионов водорода от анода к катоду. Электроны поступают с анода ячейки на одном конце блока и текут по внешней цепи, приводя в действие устройство, которое питает топливный элемент, в то время как электроны, поступающие от устройства, возвращаются к катоду на противоположном конце блока, замыкая цепь. Важно поддерживать содержание воды в катодном газе в пределах верхнего и нижнего пределов. Если содержание достигает значения, при котором относительная влажность превышает допустимый уровень, на катоде происходит конденсация (затопление), и поступающий кислород должен диффундировать через пленку жидкой воды, прежде чем он сможет вступить в реакцию. Скорость этой диффузии намного ниже скорости диффузии через газовую пленку, обычно прилегающую к катоду, и поэтому производительность топливного элемента ухудшается. С другой стороны, если в катодном газе недостаточно воды (ниже относительной влажности), мембрана высыхает и не может эффективно транспортировать водород, что также приводит к снижению производительности. 400-процентный 300-процентный PEMFS работает в стабильном состоянии с выходной мощностью 36 кВт. Важно поддерживать содержание воды в катодном газе в пределах верхнего и нижнего пределов. Если содержание достигает значения, при котором относительная влажность превышает определенное значение, на катоде происходит конденсация (затопление), и поступающий кислород должен диффундировать через пленку жидкой воды, прежде чем он сможет вступить в реакцию. Скорость этой диффузии намного ниже скорости диффузии через газовую пленку, обычно прилегающую к катоду, и поэтому производительность топливного элемента ухудшается. С другой стороны, если в катодном газе недостаточно воды (ниже относительной влажности), мембрана высыхает и не может эффективно транспортировать водород, что также приводит к снижению производительности. 400-ячеечный 300-вольтовый топливный элемент с протонно-обменной мембраной (PEMFC) работает в стационарном режиме с выходной мощностью 36 кВт. Воздух, подаваемый на катодную сторону, имеет давление около 1,0 атм (абсолютное), относительную влажность и объемный расход SLPM (стандартных литров в минуту). Газ выходит при температуре . (а) Объясните своими словами, что происходит в отдельной ячейке PEMFC. (b) Стехиометрическая потребность в водороде для топливного элемента с протонно-обменной мембраной (PEMFC) определяется формулой, где — ток в амперах (кулон/с), — количество отдельных ячеек в блоке топливных элементов, и — постоянная Фарадея, равная 96 485 кулонам заряда на моль электронов. Выведите это выражение. (Подсказка: вспомните, что поскольку ячейки соединены последовательно, через каждую из них протекает один и тот же ток, и для создания этого тока на каждом аноде в каждой отдельной ячейке должно быть израсходовано одинаковое количество водорода.) (c) Используя выражение из части (b), определите молярные скорости потребления кислорода и образования воды в установке с заданными характеристиками, обе в единицах моль/мин. (Помните, что мощность = напряжение/ток.) Затем определите относительную влажность потока на выходе катода. (d) Определите минимальный расход на входе катода в SLPM, чтобы предотвратить