Внутреннее строение пакета

Как и электрические сопротивления, источники электрической энергии (например,

отдельные топливные элементы в пакете модели Mercedes F-CELL) могут подключаться по последовательной или параллельной схеме:

При последовательной схеме подключения повышается выходное напряжение.

При параллельной схеме подключения пакет выдает более высокую силу тока. На

практике отдельные топливные элементы соединяются между собой так, чтобы

весь пакет обладал требуемыми характеристиками (макс. силой тока и

напряжением на клеммах). Эти характеристики зависят от агрегата, получающего

электроэнергию от пакета. Поэтому часто используются смешанные схемы

подключения:

А как же, собственно говоря, происходят химические реакции?

Все химические элементы стремятся к тому, чтобы их наружная оболочка была

полностью «укомплектована» электронами. Поэтому их атомы принимают на

внешнюю оболочку дополнительные электроны. Наряду с этим атомы могут и

отдавать электроны. Если на внешней оболочке не остается ни одного электрона,

эта оболочка в атоме отсутствует, а следующая внутренняя оболочка полностью

занята электронами, то есть атом достиг желанной цели. Такое состояние атомов

называется «состоянием инертного газа».

С другой стороны, атомы не могут просто так ловить электроны или отдавать их в

«никуда». Для этого рядом с ними должен находиться другой подходящий атом.

Только в этом случае атомы могут обмениваться электронами (образовывать

ионную связь) или совместно использовать электроны (образовывать

парноэлектронную связь). Но для этого процесса необходимы химические реакции.

Эти реакции могут протекать медленно, спокойно и незаметно или быстро и бурно.

Например, железо ржавеет потому, что атомы железа (Fe) соединяются с атомами

кислорода с образованием окиси железа (хорошо видимой из-за ее коричневатого

цвета). Примером другой, бурной химической реакции является реакция

взрывчатого вещества, которая может иметь сильное разрушающее действие.

Строение атома водорода вам уже известно. Этот атом имеет всего один электрон

и одну оболочку. Для того, чтобы эта оболочка была полностью заполнена, атому

водорода нужен еще один электрон, поэтому он постоянно находится в поиске

реагента, который мог бы дать ему недостающий электрон. Если вблизи одного

атома водорода находится другой атом водорода, ни один из атомов не отдает

своего электрона. Вместо этого оба атома образуют парноэлектронную связь. При

этом на внешней (и единственной) оболочке каждого атома в сумме находится по

два электрона. Два связанных между собой атома всегда образуют молекулу, в

данном случае – H2:

Индекс«2» справа от химического символа водорода «H» говорит о том, что эта

молекула содержит два атома водорода. В некоторых шрифтах индексы

(подстрочные буквы и цифры) отсутствуют, поэтому иногда в обозначении этой

молекулы позади «Н» стоит «большая» цифра «2» (например, в заголовке данного

раздела). С формальной точки зрения правильным является только использование

«маленькой» подстрочной цифры «2».

После достижения состояния благородного газа атом «успокаивается» и

добровольно не разрушает связь, возникновение которой привело к этому

состоянию. Тем не менее, как вы увидите позже, некоторые молекулы (в том числе

и молекулы H2) можно заставить нарушить возникшие связи.

Так как наряду с водородом, системе конструкции топливного элемента ведущую

роль играет также химичекий элемент "кислород (O)", то он тоже должен быть

рассмотрен. В периодической системе элементов, кислород находится на 8 месте.

Это обозначает, что в ядре атома кислорода находится восемь протонов. Далее, из

периодической системы можно узнать, что масса атома O имеет 16 массовых

единиц. Так как массой обладают только протоны и нейтроны, то остаток массы

приходится на нейтроны. Таким образом, атом кислорода имеет восемь нейтронов.

Этим определяется состав атомного ядра кислорода. Атом в целом, выглядит

следующим образом (для более понятного отображения, атомное ядро

представлено в упрощённом виде):

При обычных условиях, кислород находится в газообразном состоянии, так что

люди и животные могут вдыхать его вместе с воздухом. В составе воздуха кислород

находится в виде молекулы, имеющей двойную связь. Причина этого лежит в

количестве электронов, имеющихся в его внешней оболочке. Атом O всего имеет

восемь электронов, два из которых находятся во внутренней оболочке. Оставшиеся

шесть электронов двигаются во внешней оболочке. Таким образом, для достижения

состояния идеального газа, атому кислорода необходимо ещё два других

электрона, которые он с удовольствием 'одалживает' у другого атома кислорода, в

виде образования с ним двойной электронной пары. Следовательно, в воздухе кислород чаще всего представлен в виде O2.

Расход веществ

Топливный элемент – это техническая система. Характерная особенность

технических систем типа топливного элемента состоит в том, что в них должно

поступать какое-нибудь вещество, которое к них перерабатывается. В результате

переработки образуются выходные величины системы – энергия и какое-то

вещество (вода). Таким образом, топливный элемент представляет собой

вещественно-преобразующую и энергопреобразующую систему.

На следующем рисунке показаны входные и выходные величины топливного

элемента. Поскольку существует несколько типов топливных элементов с разными

входными величинами, на первом рисунке приведено общее описание.

Слева находятся входные величины. Все топливные элементы используют два вещества – топливои окислитель, с которым реагирует топливо в элементе. В

качестве окислителя в топливных элементах используется кислород. Некоторые

типы топливных элементов потребляют кислород, содержащийся в атмосфере, а

для некоторых типов нужен чистый кислород (O2).

Выходные величины: в результате энергетического преобразования топливный

элемент выделяет электрическую энергиюи тепловую энергию. При этом тепло

часто является лишним, сопутствующим продуктом и требует отведения или

охлаждения. Это тепло называется тепловыми потерями. Еще одна

неиспользуемая выходная величина – это вещественный побочный продуктили

отход. Как правило, этим продуктом является вода.

На втором рисунке изображен тип топливного элемента, используемый как в

модели F-CELL, так и в нашем курсе UniTrain. Этот тип называется топливным

элементом с протон-обменной мембраной.

Входные величины этого типа – водород (H2) в качестве топлива и кислород (O2) в

качестве окислителя.

К выходным величинам рассматриваемого топливного элемента с протон-обменной

мембраной относятся электрическая энергия и две неиспользуемые величины –

тепло и вода (H2O).