Cewka tlenku wodnego: czytanie krzywej polaryzacji

Konwersja tlenku wodnego bezpośrednio na elektrony

Elektrochemiczne komora cewkowa z membraną wymiana protonów (PEM) nie spala tlenku wodnego -- pozwala mu reagować elektrochemicznie. Tlenek wodnego rozkłada się na anodo pod wpływem protonów i elektronów: H2 -> 2H+ + 2e-. Protony przenoszą się przez delikatną membranę polimerową; elektrony nie mogą tego zrobić, więc są zmuszone przepływać przez zewnętrzną cyrkulację, wykonując przy tym użyteczną pracę, zanim ponownie połączą się z tluszczem i protonami na katodo tworząc wodę. Brak spalania, brak ognia, brak ruchomych elementów w reakcji podstawowej -- tylko kontrolowany rozdzielenie ładunku.

Teoretyczna granica napięcia, jaki może dostarczyć pojedynczy komorowy system, jest ustalona przez równanie Nernsta, które łączy potencjał standardowy reakcji z temperaturą i koncentracją substancji reaktantowych. W warunkach standardowych komora cewkowa tluszcz-tluszcz ma otwarte napięcie około 1,23 V, ale działający zestaw nigdy nie osiąga tego numeru -- trzy mechanizmy straty zjednoczają się już w chwili rozpoczęcia przepływu prądu.

Krzywa polaryzacji: trzy straty, jedna forma

Narysuj napięcie komórki na osi y i natężenie prądu na osi x otrzymasz palete charakterystyczną dla komórki tlenku wodnego – krzywą polaryzacyjną. Zwykle opada w trzech zrozumiałych sekcjach. Na niskim natężeniu prądu dominują straty aktywacyjne – reakcja chemiczna potrzebuje energii, aby się rozpoczęła, co opisuje równanie Tafela, które jest na początku stromym, a potem płaskim. Wśród zakresu średniego napięcie spada prawie liniowo ze wzrostem natężenia prądu: to straty ohmiczne – proste oporów w membrane, warstwach katalizatorowych i płytach. Na wysokim natężeniu prądu dominują straty koncentracji – reagent nie może dosięgnąć katalizatora szybko enough, a gaz wodny zaniedbywa kanały gazowe, co prowadzi do spadku napięcia ku zeru.

V(i) = E_Nernst
    − A·ln(i / i0)              activation (Tafel) loss
    − i · R_ohm                 ohmic loss
    − B·ln(1 − i / i_lim)  concentration loss

Dlaczego membrana musi pozostać wilgotna -- ale nie zbyt wilgotna

Membrana Nafion przewodni protony tylko wtedy, gdy jest zasiana: molekuły wody shuttłują iony H+ między miejsca sulfoniczne. Jeśli membranę wysuszyć, wzrosie opor ohmic; zaopatrzenie ją w płynną wodę blokuje kanały gazowe, co dokładnie odpowiada opisanej powyżej stratie koncentracji. Na prawidłowe osiągnięcie tej równowagi wpływają gaz wejściowy zasiany wilgotnością, ostrożna geometria pola przepływu, która usuwa wodę produkowaną z katodoi, oraz temperatury pracy wokół 60-80 stopni Celsja, które utrzymują wodę w postaci gazu bez wysuszenia membrany.

Czytanie punktu maksymalnej mocy

Moc jest prosto równa P = V · i, więc jest ona zerem w momencie otwartego obwodu (i = 0, nie przepływa żadnego prądu) oraz ponownie zerem przy krótkiej cyrkulacji (V spadła do zera). Między tymi dwoma zerami znajduje się maksimum, zwykle około połowy odciętej części krzywej dominowanej ohmowsko. Inżynierowie rozmiarują stos tak, aby jego normalny punkt pracy znajdował się blisko, ale nie dokładnie na tym maksimum: dokładnie na tym maksimum komórka jest najbardziej efektywna w odniesieniu do powierzchni catalysta, ale działanie niewielkość poniżej tego maksimum pozostawia margines przed klifem straty koncentracji i utrzymuje membranę chłodniejszą.

Od jednej komórki do stosu

Jedna komora PEM tworzy mniej niż jeden wolt, dlatego praktyczne stosy połączone są setkami komórek elektrycznie w szereg -- oddzielonymi przez płyty bipołarne, które również przekierowują tlenek wodny, powietrze i ciepło. Ponieważ komory dzielą się tym samym manofonami reagentów, całe stoso ma krzywą polarizacji podobną do krzywej jednej komórki skaliwanej w dół; jednak pojedyncza głodna lub nadmierne zasuplanowana komora może spowolnić całe stoso, co jest powodem dla trudności technicznych związanej z zarządzaniem wodą stosu.

Często zadawane pytania