1.2. Устройство топливного элемента

1.2.1. Реагенты. Реагенты, применяемые в ТЭ, должны удовлетворять требованиям высокой электрохимической активности, возможности непрерывного их подвода в ТЭ и отвода

Рис.1. Схема топливного элемента

1 — подвод топлива; 2 — подача окислителя; 3 —

анод; 4 — ионный проводник; 5 — катод; 6 — отвод

продуктов реакции; 7 — нагрузка

продуктов реакции из ТЭ, невысокой стоимости. К числу недорогих восстановителей относятся природные виды топлива: уголь, нефтепродукты и природный газ. Однако скорость их электроокисления даже на активных катализаторах слишком мала, чтобы можно было создать экономически приемлемую конструкцию ТЭ. Лишь при температуре 500 °С и выше в ТЭ с расплавленными и твердыми электролитами углеводороды могут окисляться с приемлемой скоростью; однако и в этом случае необходимо использовать катализаторы. В разработанных в настоящее время ТЭ нашли практическое применение лишь два восстановителя: водород и метанол. При использовании природных видов топлива их предварительно подвергают конверсии с целью получения водорода, например:

↔СН₄+2Н₂О ↔СО₂+4Н₂. (1.8)

Основным окислителем в ТЭ служит кислород воздуха или чистый кислород. При использовании в качестве окислителя воздуха эффективность реакции на катоде ухудшается из-за уменьшения парциального давления кислорода.

1.2.2. Ионный проводник. Он обеспечивает движение ионов и разделение окислителя и восстановителя. В качестве ионных проводников ТЭ нашли применение водные растворы электролитов, ионообменные мембраны, расплавленные и твердые электролиты. Наиболее высокую электрическую проводимость в водных растворах имеют щелочи и кислоты. Поэтому в качестве ионного проводника применяются растворы КОН и Н₃РО₄. Недостатком раствора КОН является его взаимодействие с диоксидом углерода, недостатком кислотных электролитов — высокая коррозионная активность.

Рис.2. Схема гидрофильного двухслойного по­ристого электрода

1 — раствор; 2 — слой с узкими порами (запорный слой); 3 — слой с

широкими порами; 4 — газовая камера

При необходимости работать при высоких температурах применяют расплавленную смесь солей (Li₂СО₃, Na₂CO₃, K₂CO₃) или твердый электролит на основе диоксида циркония ZrO₂, стабилизированного оксидами иттрия.

В кислородно(воздушно)-водородном ТЭ, ионным проводником часто служит либо раствор электролита (свободный электролит), либо диафрагма, пропитанная раствором электролита (матричный электрод).

1.2.3.Электроды. В связи с тем что в разрабатываемых сегодня ТЭ и восстановитель, и окислитель в подавляющем большинстве случаев газообразные, электроды должны обеспечивать трехфазную зону (проводник первого рода — газовый реагент — ионный проводник), в которой реализуется реакция (1.6) или (1.7). Часто в качестве электродов в ТЭ используются пористые никелевые или угольные (графитовые) электроды.

Капиллярное равновесие в трехфазной зоне можно регулировать, изменяя размеры пор. В этом случае применяют гидрофильные (смачиваемые водой) пористые электроды, состоящие из двух слоев или более. В слое с узкими порами капиллярное давление выше, чем в других слоях. Этот слой обращен к раствору электролита (рис. 2), заполнен им и является газозапорным. В слое с широкими порами находятся газ и жидкость. Этот слой называется активным слоем, так как в нем протекают электрохимические реакции. Капиллярное давление жидкости уменьшается, если использовать вещества, не смачиваемые водой (гидрофобные вещества). Электроды, содержащие гидрофобные вещества (обычно фторопласт), получили название гидрофобных.

Рис.3. Структурная схема электрохимической энергоустановки

В электродах с матричными электролитами применяют однослойные электроды, так как матричный электролит выполняет роль газозапорного слоя. В качестве матриц используются диафрагмы из асбеста или алюмината лития. Элементы с матричными электролитами могут быть очень тонкими, но от них сложнее отводить образующиеся в результате реакции воду и теплоту.

Если анод и катод ТЭ замкнуты проводником первого рода, то по нему электроны движутся от анода к катоду и на своем пути совершают работу. Хотя процесс превращения химической энергии в электрическую происходит непосредственно в ТЭ, одного ТЭ недостаточно для непрерывного получения электрической энергии. Напряжение ТЭ обычно не превышает 1В. Электрический ток одного элемента также невелик. Поэтому для увеличения напряжения или тока отдельные ТЭ соединяют в батарею.

1.2.4. Электрохимический генератор (ЭХГ). Он состоит из батареи ТЭ и систем, обеспечивающих ее работу.

Батарея ТЭ, кроме электродов с анодной и катодной камерами и ионных проводников, имеет также токоотводы, уплотнительные прокладки, устройства ввода реагентов и вывода продуктов реакции.

Система подвода реагентов состоит из редукторов (в случае газовых реагентов), насосов, датчиков давления и других устройств.

Система отвода продуктов реакции (воды, азота, СО₂ и др.) может включать контур циркуляции электролита или газовых реагентов, специальный испаритель или устройство для конденсации воды из этих газов. Кроме динамического {циркуляционного) способа может применяться статический, при котором вода удаляется за счёт капиллярных сил, например с помощью фитилей.

1.2.5. Отвод теплоты. Реальный КПД ТЭ не равен единице, так как часть химической энергии выделяется в виде теплоты:

Q = -∆H-nФU, (1.9)

где ∆Н — изменение энтальпии реакции; n— число молей-эквивалентов, участвующих в электрохимическом превращении 1 моля вещества; Ф— постоянная Фарадея (≈96 500 Кл/моль или 26,8 А × ч); U — напряжение батареи ТЭ.

Кроме того, теплота может генерироваться в результате побочных химических реакций.

Теплота от батареи ТЭ отводится с помощью либо циркулирующего раствора электролита, либо специального теплоносителя. Кроме того, часть теплоты отводится циркулирующим газовым реагентом и теплопроводностью через внешнюю стенку батареи.

1.2.6 Система автоматики. Она обеспечивает регулирование и поддержание температуры, концентрации раствора электролита, давления реагентов и напряжения ТЭ. Наиболее эффективны системы автоматического регулирования с использованием микропроцессоров.

Электрохимический генератор входит в состав электрохимической энергоустановки (ЭЭУ), которая включает систему хранения и обработки топлива и окислителя, устройства для преобразования (например, инвертор) и регулирования тока и напряжения, а иногда и общую систему терморегулирования и автоматики. Простейшая структурная схема электрохимической энергоустановки приведена на рис. 1.3.

1.2.8. Хранение реагентов. Система хранения реагентов определяется видом реагентов (жидкие, твердые, газообразные под давлением) и временем работы установки между заправками. Для уменьшения массы и объема системы хранения используют облегченные (из прочных материалов) баллоны, криогенное хранение или хранение газов в связанном состоянии, например водорода в виде гидридов.

Табл 1.1. Термодинамические данные некоторых реакций ТЭ при 298,15 К

Реакция	∆Hо, кДж/моль	∆S Дж/моль×K	Еэo В	дЕэ/дТ, мВ/К	ηт	η'e
2Н2 +02 = 2Н2О(ж)	-285,84	-163,0	1,23	-0,85	0,85	0,98
2Н2 +О2 = 2Н2О(г)	-241,82	-44,4	1,19	-0,23	0,94	0,97
2СО + О2 = 2СО2	-283,0	-86,4	1,33	-0,45	0,91	0,93
С + О2 = СО2	-393,5	+2,9	1,02	+0,01	1,00	0,95
СН4 +2О2 =СО2+2Н2 (г)	-802,3	-5,19	1,04	-0,01	1,00	0,95
2СН3ОН(ж) + ЗО2 = =2СО2 +4Н2О(ж)	-726,6	-80,52	1,21	-0,14	0,97	0,95

Примечание, ж — жидкость; г— газ; 0 в верхнем индексе обозначает стандартные величины.

1.2.9. Система переработки реагентов. Система переработки реагентов может включать устройства для конверсии природного топлива, для отделения водорода или очистки топлива от серы и других вредных примесей.