Топливные элементы и электрохимические установки

Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается непосредственно в электрическую энергию, в которых активные материалы вводятся в элемент извне по мере их расходования.

Рассмотрим работу топливного элемента на примере водородно-кислородного элемента, схема которого приведена на рисунке 7.9. В этом элементе происходит превращение химической энергии реакции горения водорода в электрическую.

Рис. 7.9. Схема устройства топливного элемента

2Н₂ + 4ОН^- 4Н₂О+4

О₂ + 2Н₂О + 4 4ОН^-

Суммарная реакция

2Н₂ + О₂ 2Н₂О

Как и гальванический элемент, топливный элемент состоит из анода и катода. К аноду подается топливо (восстановитель), в данном случае водород, к катоду – окислитель, обычно чистый кислород или кислород воздуха. Между электродами находится электролит, в качестве которого для рассматриваемого водородно-кислородного элемента используется раствор щелочи.

Схема водородно-кислородного топливного элемента может быть записана в виде

Н₂, Ме | КОН | Ме, О₂

где Ме – проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде идет реакция окисления водорода, а на катоде протекает восстановление кислорода.

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов ОН^- от катода к аноду. Химическая энергия реакции непосредственно превращается в электрическую энергию.

Рассмотрение водородно-кислородного топливный элемент показывает, что в принципе он работает как гальванический элемент. Отличием топливного элемента от гальванического элемента является то, что восстановитель и окислитель не заложены заранее в элемент, а непрерывно подводятся к электродам в процессе работы. В связи с этим электроды элемента в процессе работы не изменяются, и топливный элемент в принципе может работать непрерывно, пока подводятся реагенты и выводятся продукты реакции, в то время как гальванические элементы могут работать ограниченное время, определенное запасом активных реагентов. В качестве топлива наряду с водородом используются гидразин (N₂H₄), метанол (CH₃OH) и некоторые углеводороды.

Работа топливного элемента во многом зависит от используемых электродов. Не всякий материал пригоден для их изготовления. Ускорить реакции в топливном элементе можно только с помощью электродов, обладающих высокими каталитическими свойствами. Электроды должны обладать высокой электронной проводимостью, способностью адсорбироватьи в той или иной степени активировать газ, химической инертностью по отношению к горючему и окислителю (а также электролиту). Материалом для таких электродов могут служить специально обработанные никель, кобальт, металлы группы платины, угли с сильно развитой поверхностью, на которую наносят катализаторы, - мелкодисперсные порошки платины, родия и т.п. На таких электродах уже при температуре 298-398К удается достичь высоких скоростей восстановления кислорода и окисления таких видов топлива, как водород, гидразин (N₂H₄) и метанол (CH₃OH), при относительно невысоких поляризациях. Оказалось, что некоторые высокоактивные электроды весьма чувствительны к каталитическим ядам, поэтому особенно необходима предварительная очистка топлива.

ЭДС одного элемента недостаточна для питания энергией тех или иных устройств, поэтому несколько элементов соединяются друг с другом, образуя батарею элементов. Для обеспечения непрерывной работы батареи элементов необходимы устройства для хранения и подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции из элемента.

Система, состоящая из батареи топливных элементов, устройств для хранения и подвода топлива и окислителя, вывода из элементов продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры и напряжения, получила название электрохимической установки.

Поскольку электрохимические установки могут вырабатывать энергию по мере подвода окислителя и восстановителя, необходимо иметь систему подачи реагентов. Топливо и окислитель перед поступлением в батарею топливных элементов могут подвергаться обработке, включающей очистку, превращение в электрохимически активные реагенты и т. п.

В результате электрохимических процессов в топливных элементах образуются продукты реакции, которые могут изменять состав электролита, влиять на активность электродов, разбавлять реагенты в электродных камерах. Для обеспечения стабильной работы элемента необходима непрерывная система отвода реагентов, которая может включать систему контроля состава электролита или характеристик элементов, на которые влияют продукты реакции. Система отвода продуктов реакции может изменяться в зависимости от типа элементов и вида продуктов реакции. Система отвода продуктов реакции может изменяться в зависимости от типа элементов и вида продуктов реакции. При работе топливного элемента выделяется теплота, которую необходимо отводить. Количество теплоты, выделяемой в топливном элементе, растет с увеличением силы тока, и соответственно система отвода теплоты должна обеспечивать изменение скорости отвода теплоты с изменением силы тока элемента. Отвод теплоты из батареи элементов может быть осуществлен различными способами (циркуляцией электролита, циркуляцией реагента и т.д.) и решается применительно к типу электрохимической установки.