Топливный элемент. Принцип работы кислородно-водородного топливного элемента.

В топливных элементах хим-кая энергия топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, превращаетяс непосредственно в электрическую энергию, в то время как в топливных машинах пр-с преобразования химической энергии протекает через несколько промежуточных стадий, в том числе через стадию образования теплоты. Выбор топлива и окислителя, подаваемых в топливных элементах, определяется их электрохимическая активность. В качестве топлива в топливных топливных элементах обычно используется водород, окислителем обычно является кислород воздуха. Рассмотрим работу кислородно-водородного топливного элемента. В этом эл-те происходит превращение химической энергии р-ции горения водорода в электрическую.

А(-) (1)

К(+) (2)

Суммарная р-ция (3)

Топливный элемент сост из анода и катода. К аноду подается топливо (вос-ль) в данном случае водород, к катоду – окислитель, обычно чистый кислород или кислород воздуха. Между электродами находится электролит, в качестве которого для рассматриваемого водородно-кислородноо элемента используется р-р щелочи.

Схема водородно-кислородного топливного элемента может быть записана в виде:

, Ме/КОН//Ме, (4)

где Ме-проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и тихоотвода.

На аноде идет р-ция окисления водорода, а на катоде протекает восстановление кислорода.

Во внешне цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в р-ре – движение ионов от катода к аноду. Суммирование р-ций (1) и (2) получаем р-цию (3). Т.о., в результате протекания р-ции (3) в цепи генерируется постоянный ток. Химическая энергия р-ции (3) непосредственно превращается в электрическую энергию.

Рассмотрение водородно-кислородного топливного эл-та показ-еи, что в принципе он работает как гальванический элемент. Отличием топливного элемента от гальванического эл-та явл то, что вос-ль и окис-ль не заложены заранее в элемент, а непрерывно подводятся к электродам в пр-се работы. В связи с этим электроды элемента в пр-се работы не изменяются и топливный элемент может работать непрерывно, пока подводятся реагенты и выводятся продукты р-ции.. В качеств е топлива в топливных элементах наряду с водородом используются гидролизин ( ), метанол ( ) и некоторые углеводороды.

.

Вопрос № 35

Вопрос № 37

Основные методы защиты от коррозии. Протекторы, ингибиторы коррозии.

Катодная защита по этому способу, например, подземного железного трубопровода, осуществляется таким образом, что к нему присоединяют цинковые листы. В коррозионной гальванопаре железо-цинк защищаемый металл (Fe) является катодом, а присоединяемый (Zn) – анодом. В процессе работы элемента разрушается цинк, тем самым, предохраняя железное сооружение от коррозии.

Такой способ защиты металла назыв. протекторным. Посторонний анод (т.е. искусственно присоединяемый менее электрофильный металл), за счет электронов которого сохраняется основной металл, называют протектором. По мере разрушения цинковых протекторов их заменяют новыми.

Для протекторной защиты стали, используют чаще всего Zn, а также Al, Cd, Mg. Выбор протектора зависит от условий среды. Например, алюминиевые протекторы хорошо работают в щелочной среде, а в кислотной – хуже. Магниевые же протекторы – наоборот.

Ингибитор – это химическое вещество, при добавлении которого в небольших количествах в данную коррозионную среду значительно уменьшается скорость коррозии металлов, находящихся в контакте с этой средой. Как эффективное средство защиты металлов от коррозии применение ингибиторов приобрело особое значение в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Ингибиторы широко используются для защиты от разрушений внешних и внутренних поверхностей труб и аппаратов в циркуляционных охладительных системах, реакторах для переработки и емкостях для хранения химических продуктов, коммуникационных системах и др. Их большое преимущество состоит в том, что они пригодны при защите пораженных коррозией систем без замены материала или конструкции. Число неорганических и органических веществ, применяемых в качестве ингибиторов, непрерывно увеличивается.

В зависимости от способа действия ингибиторы бывают пленкообразующие (пассиваторы) и адсорбирующиеся (включая летучие ингибиторы).

Пленкообразующие ингибиторы (пассиваторы). В качестве пассиваторов могут быть использованы все те вещества, которые образуют с ионами металлов нерастворимые продукты и формируют пленку. В самом общем случае – это пассиваторы металла. определяющую роль в их ингибирующей способности играет величина pH раствора.

Некоторые пассиваторы образуют окисную пленку на металле. Эта пленка имеет толщину до 0.01 мкм и может быть в 30-100 раз толще пленки, образованной на поверхности металла под действием воздуха. Однако при неподходящих условиях или концентрациях пассиваторы способны ускорять коррозионные процессы. К пассиваторам относятся кислород, гидроксильные ионы, нитрат-, нитрит-, фосфат-, молибдат-, бензоат-ионы и др. Они непосредственно или в виде продуктов реакции блокируют анодные и

катодные участки поверхности металла, повышая ее потенциал. Катионы пассиватора могут образовывать нерастворимую гидроокись на катодных участках корродирующего металла.

Некоторые вещества обладают одновременно анодным и катодным действием. К ним относятся атмосферные пассиваторы.

Адсорбирующиеся ингибиторы. Действие органических ингибиторов характеризуется главным образом их адсорбцией. Известны два типа адсорбции – физическая и химическая.

Физическая адсорбция обусловлена существованием вандерваальсовых сил между ингибиторами и металлом, причем десорбцию легко осуществить промывкой или протиркой.

Среди ингибиторов этого типа встречаются и неорганические ингибиторы, но основные их представители – это органические функциональные группы: амины и их производные, этаноламины, альдегиды, спирты, карбамиды, меркаптаны и др.

К адсорбирующимся относятся и летучие ингибиторы, это органические или неорганические, жидкие или твердые вещества с малым, но достаточным для обеспечения адсорбции давлением паров, которые обладают ингибирующей способностью. Находясь в эксплуатационной среде, они выделяют пары, которые контактируют с защищаемым металлом. Большая часть из этих веществ представляет собой амины или соли аммония (нитриты, карбонаты). Их действие начинается сразу после испарения. Пары ингибитора растворяются и тонком водном слое, которых образуется на поверхности металла даже в относительно сухой атмосфере. Насыщенная ингибитором пленка адсорбируется на поверхности металла и создает барьер между металлом и коррозионной среде, т. е. механизм действия этих ингибиторов является тоже адсорбционным.

Ингибиторы травления. Для растворения образующихся на металлах окислов используют кислоты, действие которых может распространиться и на металл. Ингибиторы травления – это вещества, которые, будучи добавлены в небольшом количестве в травильные ванны, ограничивают агрессивное действие кислоты на металл.

Эффективный ингибитор позволяет поддерживать необходимую активность травильного раствора более длительное время, способствует сокращению расхода кислоты, уменьшает степень ее воздействия на основной металл, понижает паровыделение из раствора, а также уменьшает так называемую «водородную хрупкость», возникающую в результате непосредственного действия кислоты на металл. Водородная хрупкость, наблюдаемая при травлении, свидетельствует о том, что не весь водород удаляется с металла; какая-то его часть диффундирует в металл. Водород может образовывать с металлами гидриды, причем гидриды образуются как с основным металлом, так и с его легирующими компонентами.

Введение ингибитора в травильные ванны приводит одновременно к экономии кислоты и металла. кроме того, он уменьшает адсорбцию и диффузию водорода в металл, а следовательно, и водородную хрупкость.

Ингибиторы травления – это обычно органические вещества, они образуют на поверхности металла адсорбционную пленку толщиной порядка мономолекулярного слоя. Эта пленка препятствует разряду водородных ионов и, следовательно, уменьшает растворение металла.

Эффективность ингибитора уменьшается при повешении температуры травления, хотя некоторые вещества являются хорошими ингибиторами при высокой температуре.

Применяемые на практике ингибиторы травления редко бывают чистыми веществами. Это преимущественно смеси, активная составляющая которых не всегда известна.

В качестве ингибиторов травления можно использовать тысячи веществ, но только немногие из них представляют интерес по своей стабильности и эффективности.

Ингибиторы травления классифицируют в зависимости от защищаемого металла, состава травильного раствора, химической структуры ингибирующих веществ.

При классификации по первым двум признакам один и тот же ингибитор можно отнести к различным группам, поэтому наиболее приемлемо их деление по химическому принципу.

Ингибиторами травления чаще всего служат органические вещество. Широкое применение получили отходы сахарного и пивоваренного производств, промежуточные продукты переработки гудронов или рафинирования нефти, крахмала и др.

Вопрос № 37.

Вопрос № 40