6. Нагрузочная характеристика топливного элемента

Н апряжение на топливном элементе, в котором отсутствуют потери (идеальный топливный элемент), не должно зависеть от тока, потребляемого нагрузкой. Если ограничить скорость подачи реагентов на идеальный топливный элемент, то максимальный ток, отдаваемый топливным элементом, будет ограничен некоторым критическим значением I_кр.

При термодинамическом расчете ЭДС водородного топливного элемента, работающего при давлении реагентов 1 атм. и температуре около 70 °С, получается величина, приблизительно равная 1,2 В.

При этих же условиях работы ЭДС реального топливного элемента оказывается ниже расчетной. Зависимость напряжения на реальном топливном элементе от силы тока, потребляемого нагрузкой, (нагрузочная характеристика) приведена на рис. 3. Различие нагрузочных характеристик идеального и реального топливного элемента обусловлено поляризацией.

Поляризация происходит по следующим причинам.

Электрохимическая (активационная) поляризация происходит из-за ограниченной скорости электрохимической реакции на поверхности электродов.

Рассмотрим обычный электродный процесс: Ox + ne  Red. Если через электрод не протекает электрический ток, то электрод находится при равновесном потенциале. При этом скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Для того чтобы вступить в реакцию, как прямую, так и обратную, реагирующие компоненты должны приобрести некоторую минимальную энергию E_a – энергию активации. Именно эта энергия определяет константу скорости прямой и обратной реакции.

Если между электродом и раствором создать дополнительную разность потенциалов, то в зависимости от полярности скорость одной реакции уменьшится, а скорость другой увеличится, и равновесие на электроде нарушится. Таким образом, для протекания реакции на электроде необходимо, чтобы его потенциал отличался от равновесного на некоторую величину η_акт.

Плотность тока i, протекающего через электрод, описывается уравнением Тафеля:

i = a + b ∙ lg η_акт, (8)

где a и b – некоторые константы.

Для снижения активационных потерь

• используют катализатор на электродах для уменьшения энергии активации;

• работают при малых плотностях тока, для этого применяют пористые электроды, обладающие большой площадью поверхности;

• повышают рабочую температуру.

К онцентрационная поляризация происходит в том случае, когда возникает ограничение скорости подачи реагентов к поверхности электродов. На поверхности электродов уменьшается концентрация реагентов, что приводит к уменьшению напряжения элемента. Концентрационная поляризация проявляется при достаточно высокой плотности тока.

Омическая поляризация обусловлена электрическим сопротивлением электролита и электродов. Поскольку для электролита и электродов справедлив закон Ома, то омические потери можно записать как

η_ом = I ∙ R,

г де I – ток, протекающий через топливный элемент, R – полное сопротивление электролита и электродов.

Вклад в поляризацию каждого из электродов в отдельности можно видеть из графиков на рис. 5.

Особенности нагрузочной характеристики реального топливного элемента объясняются следующим образом.

• ЭДС элемента при разомкнутой цепи ниже, чем ЭДС, рассчитанная по энергии Гиббса реакции. Это может происходить из-за внутреннего тока в топливном элементе вследствие небольшой электронной проводимости мембраны или из-за неэлектрохимического окисления водорода на электродах.

• На начальном участке графика наблюдается относительно резкое изменение напряжения топливного элемента, обусловленное электрохимической поляризацией электродов.

• На графике есть участок, напряжение на котором изменяется по закону, близкому к линейному. Снижение напряжения топливного элемента на этом участке обусловлено как омической, так и электрохимической поляризацией.

• При большой силе тока происходит резкое уменьшение напряжения, сила тока приближается к предельному значению. Падение напряжения на этом участке обусловлено, концентрационной поляризацией одного или обоих электродов.