32. Устройство, характеристики топливных элементов

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Устройства и принцип действия топливных элементов: конструкция ТЭ состоит из таких основных частей — это электроды, катализаторы, электролит, проточные каналы для подачи топлива и окислителя, а также каналы для вывода отработанных веществ (воды, избыточных газов и т.д.) и избыточного выделяемого тепла.

Электроды выполняются в виде пористых пластин, между ними находится электролит, а внешние стороны электродов выполнены в виде каналов, по которым пропускается топливо с окислителем и на которых происходят химические реакции в топливном элементе.

 

Центром топливного элемента будет являться протонообменная мембрана (выполняет функцию электролита). Обычно данная мембрана имеет вид пленки из специального полимера, который сочетает в себе гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, что содержат кислотные группы. Если мембрана содержит воду, то она будет собираться вблизи кислотных групп, образовывая гидратную область с размером около 1 нм. Именно в данной области будут образовываться различные формы протона, имеющие возможность свободно перемещаться. 

Химические реакции, которые идут по следующей схеме: топливо (водород) попадает на анод топливного элемента, на нём его атомы разлагаются на протоны и электроны (H2 = 2e- + 2H+), освободившиеся электроны направляются во внешнюю электрическую цепь (создавая, тем самым, электрический ток), а протоны проходят сквозь электролит (протонообменную мембрану) на катодную сторону. На катоде с протонами водорода соединяются атомы кислорода и электроны (пришедшие из внешней цепи) с образованием воды (4H+ + 4e- + O2 = 2H2O).

Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Поскольку КПД блока топливных элементов определяется производительностью отдельных элементов, небольшие электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более увеличивая эффективность использования энергии. При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар.