Топливные элементы

Если окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать длительное время. Такие элементы называют топливными. В топливных элементах химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию.

В топливных элементах используются жидкие или газообразные восстановители (водород, метанол, гидразин, углеводороды) и окислители (обычно чистый кислород или кислород воздуха).

Рассмотрим работу кислородно-водородной системы с щелочным электролитом. В таком элементе происходит превращение химической энергии реакции окисления водорода Н₂ + 1/2O₂ ®Н₂0 в электрическую энергию. К аноду подводится топливо – водород, к катоду – кислород.

В качестве электродов служат мелкопористые металлические или угольные пластины и катализаторы (платиновые металлы). На этих электродах уже при 25-100 °С удается достичь высоких скоростей восстановления кислорода и окисления водорода при относительно невысоких поляризациях.

Если в качестве электродов взяты никелевые пластины, то схема ки­слородно-водородного топливного элемента записывается следующим образом: Н₂, Ni | КОН | Ni, 0₂. Протекают реакции:

на аноде H₂-2e®2H⁺

на катоде O₂+4e®2O^2-

2H₂ + O₂®4H⁺ +2O^2-

Суммированием уравнений анодной и катодной реакций получаем

уравнение токообразующей реакции:

Можно рассчитать Е_э этого топливного элемента:

Топливные элементы такого типа относятся к низкотемпературным. Они имеют ряд достоинств: работают бесшумно, не загрязняют окружающую среду, имеют высокий КПД (приближающийся к 100%). Недостатки: малая скорость электродных реакций, низкая Е_э. Однако природные виды топлива: нефть, природный газ, уголь в низкотемпературных ТЭ не используются. Процесс окисления этих видов топлива может проходить в высокотемпературных условиях при 500°С и выше. Электродные проводники – расплавленные соли (Li₂C0₃ + Na₂C0₃) или твердые оксиды (Zr0₂ и Y₂0₃).

В отличие от гальванических элементов топливные элементы не могут работать без вспомогательных устройств. Для увеличения напряжения и тока элементы соединяют в батареи.

Батарея ТЭ вместе со всеми вспомогательными устройствами составляет электрохимический генератор (ЭХГ), который в свою очередь входит в электрохимическую энергоустановку, которая состоит из блока переработки топлива, инвертора постоянного тока в переменный и устройств использования теплоты либо для теплоснабжения, либо для дополнительной выработки электроэнергии в концевом цикле, состоящей из газовой или паровой турбины, или парогазовой системы. Электрохимические энергоустановки обеспечивают прямое преобразование химической энергии в электрическую и имеют более высокий КПД (примерно в 1,5 – 2,0 раза) по сравнению с тепловыми машинами. Кроме того, они существенно меньше загрязняют окружающую среду. Наиболее разработанные кислородно-водородные энергоустановки, которые уже применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе. Удельная энергия этих установок составляет 400-800 Вт-ч/кг, а КПД – 60-70%. Построены и испытаны электрохимические энергоустановки и электростанции мощностью от 40 кВт до 11 МВт, работающие на природном топливе.

На первых порах эти установки, и прежде всего на основе низкотемпературных ТЭ, будут применяться для автономного энергоснабжения отдельных районов, отдельных островов, поселков, отдельных жилых и промышленных зданий, торговых и спортивных центров и т.д. Позднее по мере их удешевления и увеличения срока службы, они найдут применение и для централизованной генерации электроэнергии. Ожидается, что к 2015 г. они будут генерировать до 10%, а к 2030 г. до 25 – 30% всей электроэнергии.

В последние годы большое внимание уделяется разработке электрохимических энергоустановок для электромобилей, работающих на водороде или метаноле. В настоящее время испытываются несколько демонстрационных электробусов и электромобилей на основе ТЭ с твердополимерными фосфорнокислыми электролитами. Основная задача, стоящая перед разработчиками, – это снижение стоимости и увеличение срока службы энергоустановок.