1 КВт установленной мощности в лучших образцах

обходится в (3-5) тыс. долл. Нужно снизить стоимость 1 кВт до 100 долл.,

чтобы сделать твердополимерные топливные элементы конкурентоспособными.

Топливные элементы с ионообменной мембраной (pemfc)

Твердополимерные топливные элементы,

называемые также PEM-элементами,

обеспечивают высокую мощность и обладают низким весом и объемом. Отличительной особенностью PEM-элементов

является применение графитовых электродов

и твердополимерного электролита

(ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane).

В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород,

а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород.

Водород подается со стороны анода,

где происходит электрохимическая реакция:

2H₂ = 4H⁺ + 4e.

Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит,

в то время как электроны — через внешнюю цепь.

На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород),

происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды:

O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O.

Рис. 1. Схема устройства PEMFC.

Одна ячейка такого элемента (Рис. 1), состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею.

Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов.

Существует несколько ограничений, препят- ствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород.

Эти топливные элементы отличаются высокой удельной мощностью,

позволяют быстро регулировать выходную мощность.

Недостаток этого типа элементов

- высокие требования к качеству топлива,

поскольку загрязненное топливо

может вывести из строя мембрану.

Номинальная мощность ТЭ этого типа составляет 1--100 кВт.

В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие

прототипы энергоустановок мощностью до 500 кВт,

в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт.

PEM-элементы способны работать при

относительно низкой температуре окружающей среды

и обладают довольно высокой эффективностью

(КПД составляет от 40 до 50%).

Низкотемпературный режим работы увеличивает срок службы.

Однако для их функционирования требуется

дорогостоящий катализатор (как правило, платина).

Платиновый катализатор весьма чувствителен к угарному газу,

образующемуся как побочный продукт во время реакции в ТЭ,

поэтому для его работы необходимо использовать

дополнительный реактор, позволяющий снизить содержание CO.

Разработчики в настоящее время изучают Pt/Ru катализаторы,

которые более устойчивы к присутствию CO.

Топливные элементы с протонообменной мембраной

применяются в качестве источников питания

для широкого спектра различных устройств,

от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания.

Низкая рабочая температура позволяет использовать

такие элементы для питания сложных электронных устройств.

В то же время, такие элементы перспективны

в качестве автономного источника электроснабжения

небольших жилых зданий типа коттеджей,

построенных в регионах с жарким климатом.