Frage:
Beziehung zwischen der Oberfläche der Elektrode und der Reaktionsgeschwindigkeit von Wasserstoff in Brennstoffzellen
Blue7
2015-01-25 07:44:43 UTC
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Ich untersuche die Auswirkungen einer Vergrößerung der Oberfläche, mit der der fließende Wasserstoffbrennstoff mit der Anode in einer Brennstoffzelle in Kontakt steht.

An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen gespalten . Der verwendete Katalysator ist am häufigsten Platin. Bei einer festen Wasserstoffströmungsrate erhöht eine Vergrößerung der Kontaktfläche mit der Anode die Anzahl der Wasserstoffatome, die mit dem Katalysator in Kontakt stehen, und die Dauer, die sie mit ihm in Kontakt stehen. Daher wird die Anzahl der Oxidationshalbzellreaktionen zunehmen. Aber wie ist die mathematische Beziehung, die die Anzahl der Reaktionen bestimmt, die auftreten werden? Ist es nur eine lineare Beziehung, dh die Verdoppelung der Oberfläche verdoppelt die Anzahl der Reaktionen, oder ist es komplexer?

Wenn es unmöglich ist, eine genaue mathematische Beziehung zu erhalten, was ist eine gute Annäherung an diese Variablen werden miteinander skalieren? Wie sagt der Chemiker normalerweise die Anzahl der Reaktionen / Reaktionsgeschwindigkeit voraus und könnte dies auf mein Beispiel angewendet werden?

Einer antworten:
Qubit1028
2015-01-25 08:37:02 UTC
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Jede galvanische Zelle erzeugt im Leerlauf ihre Gleichgewichtsspannung. Angenommen, Ihre Zelle hat eine Spannung von +3 V, bevor Strom durch sie fließt. Sobald Sie den Schalter betätigen, lassen Sie diese 3 V einen Strom durch die Zelle und eine externe Last, die Sie an sie anschließen, leiten. Innerhalb der Zelle gibt es mehrere Widerstände, die die Zellenspannung von anfänglich 3 V verringern. Der Elektrolytwiderstand, konzentrationsabhängige Widerstände an den Elektroden und Elektronentransferwiderstände tragen alle zum Gesamtspannungsabfall in der Zelle bei und begrenzen somit effektiv die Strommenge, die es erzeugen kann. Typischerweise ist einer dieser Widerstände in Abhängigkeit von der genauen Konfiguration und den Betriebsbedingungen der Zelle viel größer als jeder der anderen. Es ist der Elektronentransferwiderstand, mit dem Sie sich in Ihrer Frage befassen. Die traditionelle Art, den Spannungsabfall aufgrund des Elektronentransferwiderstands auszudrücken, ist die Tafel-Gleichung:

$$ \ eta _ {a} = a + b \, log \, i $$

wobei $ a $ und $ b $ empirische Konstanten sind, $ i $ die aktuelle Dichte und $ \ eta _ {a} $ das sogenannte Aktivierungsüberpotential ist. Wir sehen aus diesem Ausdruck, dass der Betrag des Spannungsabfalls in der Zelle aufgrund des Elektronentransfers linear mit dem Logarithmus der Stromdichte zunimmt. Es ist dann wünschenswert, $ \ eta _ {a} $ für eine Batterie- oder Durchflusszellenanwendung zu minimieren, damit wir die maximale verfügbare Spannungsmenge haben, um Strom durch die Last zu drücken. Ein sehr guter Weg, dies zu tun, besteht darin, einfach die Elektrodenfläche zu vergrößern. Auf diese Weise verringern wir die aktuelle Dichte , wodurch $ \ eta _ {a} $ verringert wird.

Die genaue mathematische Beziehung, die Sie suchen, ist also der oben angegebene empirische Tafel-Ausdruck oder noch besser die Butler-Volmer-Gleichung, die eigentlich nur eine grundlegendere Art ist, die Tafel-Beziehung auszudrücken. Sie müssen lediglich einige Hinweise zur Platinpolarisation in wässrigen Lösungen finden. Es gibt einfach jede Menge Papiere zu diesem Thema. Hier ist eine, um Ihnen den Einstieg zu erleichtern:

Sheng W. et al., Journal of The Electrochemical Society , 157 11 B1529-B1536 2010

Dies ist eine fantastische Antwort. Es sind genau die Informationen, die ich brauche! Vielen Dank! Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich das verstehe, aber ich könnte am Morgen einige weitere Fragen haben, wenn ich vollständig aufgewacht bin :)
Ich habe eine Frage, die ich wahrscheinlich wissen sollte, die mich jedoch leicht verwirrt: Wenn das Aktivierungsüberpotential proportional zum Logarithmus der Stromdichte ist, bedeutet dies, dass für eine Zelle, die einen konstanten Strom liefert, das Aktivierungsüberpotential proportional zum Logarithmus ist (1 / EIN). Da Leistung Strom * Spannung ist, bedeutet dies, dass für eine Zelle, die konstanten Strom liefert, die Leistung, die die Zelle erzeugen kann, auch proportional zu log (1 / A) ist. Ist das richtig?
Ich frage wohl: Ist die Leistung der Zelle proportional zum Aktivierungsüberpotential?
Die Ausgangsleistung hängt sowohl vom Innenwiderstand der Zelle als auch vom Widerstand der Last ab, an die sie angeschlossen ist. Spielen Sie mit diesem Widget, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie es funktioniert: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/powtran.html. Wenn Sie das Aktivierungsüberpotential als Funktion der Stromdichte kennen, können Sie eine Schätzung des Zellwiderstands über einen Strombereich berechnen. Stecken Sie es in das Widget und sehen Sie, was Sie sich einfallen lassen!
Danke. Eine letzte Frage. [Dieses Dokument] (http://www.pemfc.de/FCF_Smart.pdf), Seite 5, besagt, dass die theoretische maximale Spannung einer Zelle $ E_0 = 1,229 V $ beträgt. Bedeutet dies, dass die tatsächliche Spannung der Zelle $ E = E_0 - \ eta_a - \ eta_e - \ eta_c $ ist, wobei $ \ eta_e $ und $ \ eta_c $ der Elektrolytwiderstand und der konzentrationsabhängige Widerstand sind?
Das sind eher Überpotentiale als Widerstände, aber ja, Sie haben die richtigen Bezeichnungen. Die Überpotentiale von Elektrolyt und Konzentration sind typischerweise viel schwieriger abzuschätzen als das Überpotential der Aktivierung, da sie stark von der Zellgeometrie und den Massentransportbedingungen abhängen. Ohne irgendeine Art von Computermodellierung müssen Sie diese beiden Überpotentiale nur vernachlässigen.


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