Топливные элементы и электрохимические энергоустановки

Если окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать долгое время. Такие элементы называют топливными. Удельная энергия топливных элементов значительно выше удельной энергии гальванических элементов. В топливных элементах в качестве восстановителей обычно используют водород, метанол, метан, а в качестве окислителя — кислород воздуха.

Рассмотрим работу топливного элемента на примере кислородно-водородной системы с щелочным электролитом, представленного на рис. 11.5. К аноду подводится топливо (восстановитель), в данном примере — водород, к катоду — окислитель — обычно чистый кислород или кислород воздуха. Схема кислородно-водородного топливного элемента может быть записана в следующем виде:

где М — проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

При работе данного топливного элемента на электродах проходят следующие процессы:

Для большинства топливных элементов ЭДС составляет 1,0—1,5 В. Снижение поляризации топливных элементов достигается применением катализаторов, увеличением поверхности электродов, повышением температуры и концентрации (или давления) реагентов. Для увеличения поверхности обычно применяют пористые электроды, изготовленные из мелких порошков металла или угля. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы. На этих электродах уже при 25— 100 °C удается достичь высоких скоростей восстановления кислорода и окисления водорода. Топливные элементы, работающие при таких температурах, называют низкотемпературными. Ионными проводниками в них служат растворы КОН, Н₃Р0₄ или ионообменные мембраны.

Однако природные виды топлива: нефть, природный газ и особенно уголь в низкотемпературных топливных элементах практически не окисляются. Процесс электроокисления этих видов топлива значительно ускоряется при повышении температуры в высокотемпературных топливных элементах, работающих при температуре большее 500 °C. В таких элементах, естественно, не могут применяться водные растворы электролитов, поэтому используются или расплавленные соли (Li₉C0₃ + Na₉C0₃), или твердые ионные проводники — твердые электролиты, например смесь Zr0₉ и Y₉O_r Вместо платиновых катализаторов в высокотемпературных топливных элементах применяют на аноде никель, а на катоде — оксид никеля, LaCo0₃ или La_vSr, _v.MnO_r Параметры различных топливных элементов приведены в табл. 11.3.

Для увеличения напряжения топливные элементы соединяют в батареи, которые могут иметь удельную энергию 400—800 Вт • ч/кг с КПД 60—70%, обеспечивающие космонавтов в полетах и электроэнергией и водой. Установку, состоящую из батарей топливных элементов, систем хранения, обработки и подвода топлива и окислителя, отвода продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры, а также преобразования тока и напряжения, называют электрохимической энергоустановкой. Построены электрохимические установки мощностью от 40 кВт до 11 МВт.

Основные виды топливных элементов

Таблица 113

Окончание табл. 11.3