3.3 Топливные элементы
Топливные элементы (ТЭ), или электрохимические генераторы, это устройства, к которым рабочие (электрохимически активные) вещества подводятся по мере их расхода. Очевидно, что такой источник тока в принципе может работать сколь угодно долго, пока есть «топливо». Состав
электролита в процессе работы не изменяется, то есть элемент не требует перезарядки. Развитие этого типа источников тока началось в 50-е годы XX века и интенсивно продолжается до настоящего времени.
Окислителем в топливных элементах обычно является кислород, а окисляемым веществом — водород, метанол, гидразин, хотя могут использоваться и другие окислители и восстановители. Катодный и анодный процессы происходят на пористых электродах, которые создают большую поверхность для протекания реакций и одновременно служат для подвода реагентов — окислителя и топлива. Электродный материал при этом должен еще обладать каталитическими свойствами, иначе характеристики источника остаются очень низкими. Для этого применяются металлы платиновой группы — платина, палладий, рутений, их сплавы (например, палладий — золото), а также никель, которые наносят на углеродный носитель. Высокая стоимость этих материалов, а также возможность их отравления каталитическими ядами — это один из ограничивающих факторов в применении ТЭ. Работают ТЭ следующим образом:
1. Процесс на катоде.
В кислородно-водородном топливном элементе подаваемый на катод кислород переходит в электролит и реагирует на поверхности электрода с ионами водорода (с участием катализатора), образуя воду:
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные растворы гидроксидов натрия или калия) кислород вступает на катоде в реакцию с водой, содержащейся в электролите, с участием электронов из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила.
В щелочных электролитах для электровосстановления кислорода можно использовать серебро, а также активированный уголь, в который вводят некоторые комплексные соединения, а также оксиды.
2.Процесс на аноде.
Водород проходит через пористый анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами ОН, образуя воду.
На аноде освобождаются электроны, которые идут во внешнюю цепь, и
вода. В других случаях освобождаются, наряду с электронами, протоны,которые транспортируются через мембрану к катоду, где соединяются с кислородом, также образуя воду. Выделяемая в любом случае вода испаряется, причем должен соблюдаться баланс между скоростями ее образования и испарения. Наряду с этим необходимо следить за балансом подачи окислителя и топлива; организация их потоков является одной из важнейших задач.
Напряжение, даваемое единичным элементом, составляет около 0,7 вольта и уменьшается при отборе тока вследствие омических и поляризационных факторов. Поэтому в рабочих условиях обычно создают батареи из нескольких десятков ТЭ.