Топливные элементы

На поверхности медной пластины также образуется

двойной электрический слой,

поэтому возникает электродный потенциал меди.

Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение,

чем потенциал медного электрода,

поэтому при замыкании внешней цепи

электроны будут переходить от цинка к меди.

В то же время равновесие на медном электроде

сместится влево и произойдет дополнительный разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи протекают

процессы растворения цинка на цинковом электроде

и выделения меди на медном электроде.

Итак, при работе гальванического элемента Даниэля – Якоби

протекают следующие процессы:

1) реакция окисления цинка на аноде: Zn − 2e⁻ ↔ Zn;

2) реакция восстановления ионов меди на катоде: Cu²⁺ + 2e⁻ ↔ Cu;

3) движение электронов во внешней цепи;

4) движение ионов в растворе: анионов (SO₄²⁻) к аноду,

катионов (Cu²⁺, Zn²⁺) к катоду.

Максимальная разность потенциалов электродов,

которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.

Она равна разности потенциалов катода и анода элемента.

Таким образом, в гальваническом элементе

возникает движение электронов во внешней цепи

и ионов внутри элемента,

что эквивалентно превращению химической энергии в электрическую.

Это гальваническая ячейка,

вырабатывающая электроэнергию за счет

окислительно-восстановительных превращений реагентов,

поступающих извне.

При работе топливного элемента

электролит и электроды не расходуются.

В нем химическая энергия топлива

непосредственно превращается в электроэнергию.

Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива

в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике.

В простейшем топливном элементе,

где используются чистый водород и чистый кислород,

на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3).

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны.

После того, как водород поступит на анод,

а кислород - на катод, начинается химическая реакция,

в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует

и теряет электроны. Ионы водорода (протоны)

проводятся через электролит к катоду,

в то время как электроны пропускаются

электролитом и проходят по внешней электрической цепи,

создавая постоянный ток,

который может быть использован для питания оборудования.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется

с электроном (который подводится по внешней цепи)

и пришедшим через электролит протоном,

и образует воду, которая является единственным

продуктом реакции (в виде пара или жидкости).

Ниже приведена соответствующая реакция:

Реакция на аноде: 2H₂ => 4H⁺ + 4e^-
Реакция на катоде: O₂ + 4H⁺ + 4e^- => 2H₂O
Общая реакция элемента: 2H₂ + O₂ => 2H₂O

Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты реакции в виде воды отводятся от них.

Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом с образовании воды. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Первая электрическая энергия была получена с помощью ТЭ еще в 1839 г.

В 70-80-е годы применены 10-киловаттные

топливные элементы для "Шаттла".

У нас такие установки разрабатывались

для программы "Буран" в НПО "Энергия",

в те же годы были построены электростанции

мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах.

В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.

С 1990-х годов и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики.

Сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов.

Основные типы топливных элементов приведены в таблице 2.

Использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к увеличению ресурса топливных элементов.

Полимерная мембрана Nafion, применяемая в ТПТЭ, в США и Канаде производится фирмой "Дюпон",

в России аналогичные мембраны выпускает фирма "Пластполимер".

Выше приведен пример топливного элемента,

в электролите которого перенос заряда осуществляется

ионами водорода (см. рис. 3).

В других топливных элементах носителями заряда

могут выступать ион кислорода, радикал ОН^- или СО₃^-

окислителями могут быть кислород либо воздух (рис. 4).

Сейчас в мире активно разрабатываются

твердополимерные топливные элементы на водороде.

Считается, что они будут применяться в основном на автотранспорте.

Пока их стоимость довольно высокая:

1 кВт установленной мощности в лучших образцах

обходится в (3-5) тыс. долл. Нужно снизить стоимость 1 кВт до 100 долл.,

чтобы сделать твердополимерные топливные элементы конкурентоспособными.

Топливные элементы с ионообменной мембраной (PEMFC)

Твердополимерные топливные элементы,

называемые также PEM-элементами,

обеспечивают высокую мощность и обладают низким весом и объемом. Отличительной особенностью PEM-элементов

является применение графитовых электродов

и твердополимерного электролита

(ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane).

В качестве топлива в PEM-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,

в то время как электроны — через внешнюю цепь.

На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород),

происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды:

O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O.

Рис. 1. Схема устройства PEMFC.

Одна ячейка такого элемента (Рис. 1), состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею.

Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов.

Существует несколько ограничений, препят- ствующих 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.

Эти топливные элементы отличаются высокой удельной мощностью,

позволяют быстро регулировать выходную мощность.

Недостаток этого типа элементов

- высокие требования к качеству топлива,

поскольку загрязненное топливо

может вывести из строя мембрану.

Номинальная мощность ТЭ этого типа составляет 1--100 кВт.

В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие

прототипы энергоустановок мощностью до 500 кВт,

в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт.

PEM-элементы способны работать при

относительно низкой температуре окружающей среды

и обладают довольно высокой эффективностью

(КПД составляет от 40 до 50%).

Низкотемпературный режим работы увеличивает срок службы.

Однако для их функционирования требуется

дорогостоящий катализатор (как правило, платина).

Платиновый катализатор весьма чувствителен к угарному газу,

образующемуся как побочный продукт во время реакции в ТЭ,

поэтому для его работы необходимо использовать

дополнительный реактор, позволяющий снизить содержание CO.

Разработчики в настоящее время изучают Pt/Ru катализаторы,

которые более устойчивы к присутствию CO.

Топливные элементы с протонообменной мембраной

применяются в качестве источников питания

для широкого спектра различных устройств,

от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания.

Низкая рабочая температура позволяет использовать

такие элементы для питания сложных электронных устройств.

В то же время, такие элементы перспективны

в качестве автономного источника электроснабжения

небольших жилых зданий типа коттеджей,

построенных в регионах с жарким климатом.

Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)

Твердотельные оксидные топливные элементы

отличаются простотой конструкции (Рис. 2), но работают при

температурах - 700-1000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо.

Эти особенности позволяют их использовать как крупные источники электрической энергии.

Рис. 2. Схема устройства SOFC.

В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO₂), стабилизированного оксидом иттрия (Y₂O₃). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода:

O₂ + 4e = 2O^2–

Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа):

H₂ + O^2– = H₂O + 2e^– CO + O^2– = CO₂ + 2e^–

Первые опытные образцы ТОТЭ

были созданы в конце 1950-х годов

рядом американских и голландских компаний.

Большинство этих компаний вскоре отказались

от дальнейших исследований из-за технологических трудностей,

однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.»

(сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»),

продолжила работы. В настоящее время эта компания

принимает предварительные заказы на коммерческую модель ТОТЭ

трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году.

ТОТЭ продемонстрировали очень высокую надежность.

Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать,

что стало самым длительным непрерывным сроком

эксплуатации топливного элемента в мире.

Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью,

анод, катод и электролит изготовлены

из специальных сортов керамики.

Электролит образует кристаллическую решетку,

покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом.

Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок.

В результате ТОТЭ могут работать при очень высоких температурах,

поэтому их выгодно использовать для производства

электрической и тепловой энергии.

В таблице представлены сравнительные характеристики ТПТЭ и ТОТЭ.

Тип элемента	Рабочие темпера-туры, °С	КПД, %	Используемые реагенты	Применение
элек-трич.	сумм.	топливо	окисли-тель
Твердо-полимерныеТЭ (ТПТЭ).	30–160	до 40	50–70	водород, метанол, и др.	воздух	спецтехника, электромобили, портативная аппаратура, децентрал.энерго-снабжение
Твердо-оксидныеТЭ (ТОТЭ).	700–1000	50–60	70–80	метан, продукты конверсии углеводо-родов, биогаз	воздух	стационарные и мобильные источники электро- и теплоснабжения,

В качестве электролита в ТПТЭ используется

твердая полимерная мембрана с протонной проводимостью

(Proton Exchange Membrane, PEM).

Неподвижный твердый электролит

упрощает герметизацию в процессе производства,

уменьшает коррозию, и обеспечивает

более долгий срок службы топливного элемента.

В ТПТЭ в качестве катализатора в них используется

платина и ее сплавы, осажденные на углеродном носителе.

Работают при относительно низких температурах,

что значительно расширяет область их применения.

В ТОТЭ в качестве электролита используется

керамический материал с кислородоионной проводимостью.

Электроды не содержат дорогостоящих металлов.

ТОТЭ работают при температурах 600 - 1000°C,

что позволяет использовать относительно

загрязненные виды топлива, например,

получаемые при газификации угля.

На данный момент из известных топливных элементов

наибольшее распространение и применение в области стационарных систем нашли ТПТЭ, MCFC и ТОТЭ.

Дата добавления: 2014-01-06