Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells,AFC)

Топливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, РЕМ)

Технология изготовления элементов данного типа была раз­работана в 50-х годах XX века инженерами компании Сеnегаl Еlесtriс. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом ко­рабле Gemini

Отличительной особенностью РЕМ-элементов является при­менение графитовых электродов и твердополимерного элек­тролита (или, как его еще называют, ионообменной мембра­ны — Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в РЕМ-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Водород по­дается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция:

2H₂→4H⁺+4e.

Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через элек­тролит (ионный проводник), в то время как электроны — че­рез внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окис­ления водорода с образованием чистой воды:

O₂+4H⁺+4e→2H₂O.

Рабочая температура РЕМ-элементов составляет около 80⁰C. При таких условиях электрохимические реакции проте­кают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов.

Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электро­дов и ионообменной мембраны, способна генерировать напря­жение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею.

РЕМ-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высо­кой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). В насто­ящее время на базе РЕМ-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 50 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт.

Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относи­тельно высокая стоимость материалов для изготовления мем­бран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород.

Конструкция первого щелочного топливного элемента была разработана русским ученым П.Яблочковым в 1887 году. В качестве

электролита в щелочных элементах используется концентрирован­ный гидроксид калия (КОН) либо его водный раствор, а основным

материалом для изготовления электродов является никель.

В качестве топлива применяется чистый водород, а ка­честве окислителя — чистый кислород. Реакция окисле­ния водорода протекает через электроокисление водоро­да на аноде:

2H₂+4OH^--4e→4H₂O

и электровосстановление кислорода на катоде:

O₂+2H₂O+4e→4OH^-.

Гидроксид-ионы двигаются в электролите от катода к аноду, а электроны — по внешней цепи от анода к катоду.

Щелочные элементы работают при температуре около 80 ⁰С, однако значительно (примерно на порядок) уступают РЕМ-элементам по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Однако себестоимость производства щелочных эле­ментов значительно ниже, чем РЕМ. Основной недостаток щелочных элементов заключается в необходимости использования чистых кислорода и водорода, поскольку содержа­ние в топливе или окислителе примесей углекислого газа (СО₂) приводит к карбонизации щелочи.

Дата добавления: 2014-01-07