7. Другие параметры, характеризующие эффективность работы топливного элемента

КПД по току показывает, какая доля топлива, использованного в топливном элементе, участвовала в токообразующей реакции:

, (9)

где I – сила тока, – скорость потребления топлива в топливном элементе (моль/с). Токовая эффективность меньше 100%, если часть реагентов не участвует в токообразующей реакции, например, в случае неполного преобразования реагентов в желаемые продукты, реакции реагентов вне электролита и электродов, а также при утечке реагентов из-за негерметичности ячейки. Большинство современных топливных элементов работает при токовой эффективности, близкой к 100%.

В работающем топливном элементе состав реагентов на входе отличается от состава реагентов на выходе, т.к. при течении вдоль электродов часть реагентов расходуется в электрохимических реакциях, а к реагентам добавляются продукты реакции. В результате уменьшения концентрации реагентов происходит уменьшение  топливного элемента и снижение его КПД. Для уменьшения потерь до приемлемого уровня реагенты почти всегда подаются в большем количестве, чем требуется для реакции. Коэффициент использования топлива U (КИТ) равен отношению количества молей топлива, израсходованных в топливном элементе за 1 с , к количеству молей топлива, поданных в топливный элемент за 1 с :

(10)

Для топливного элемента с протонообменной мембраной коэффициент использования топлива (Н₂) обычно равен 0,8 – 0,9, а коэффициент использования окислителя (О₂) – 0,5.

8. Виды топливных элементов

Существуют две серьезные проблемы, связанные с использованием топливных элементов:

1. Низкая скорость электрохимической реакции;

2. Ограниченная доступность водорода как топлива.

В попытках разрешения этих проблем разработано большое количество типов топливных элементов.

Топливные элементы принято классифицировать по следующим признакам:

1. по температуре основного процесса: низкотемпературные (ниже 100°С), среднетемпературные (ниже 500°С) и высокотемпературные (выше 500 °С);

2. по типу ионного проводника: щелочной, кислотный, твердополимерная мембрана, расплавленные карбонаты, твердооксидная керамика;

3. по агрегатному состоянию реагентов: газообразные, жидкие и твердые;

4. по виду горючего или окислителя: водородные, кислородные и метанольные и др.

Основные типы топливных элементов и их характеристики приведены в табл. 3

Табл. 3. Основные типы топливных элементов и их характеристики.

	Щелочные (ТЭЩЭ)	Твердополимерные (ТПТЭ)	Фосфорнокислые (ТЭФК)	С расплавленными карбонатами (ТЭРК)	Твердооксидные (ТЭТО)
Электролит	Водный раствор КОН	Полимерная мембрана	H3PO4 высокой концентрации	Расплавы Li2CO3, K2CO3	Твердый (ZrO2), стабилизированный (Y2O3)
Носитель заряда в электролите	OH–	H+	H+	CO32–	O2–
Рабочая температура, °С	50-200	30 – 100	180–220	500-700	500-1000
Топливо	Особо чистый водород	Чистый водород	Очищенный водород	Водородосодержащий газ	Водородосодержащий газ
Окислитель	Чистый кислород	Чистый кислород или атмосферный воздух	Атмосферный воздух	Атмосферный воздух	Атмосферный воздух
КПД	50-65%	60-70%	30-55%	50-60%	60-70%
КИТ	30%	90%	85%	80%	95%

Щелочные топливные элементы. В качестве электролита в топливных элементах, работающих при высоких температурах (~250 °С), используется концентрированный раствор KOH (85%), при низких температурах (до 120 °С) – менее концентрированный раствор KOH (35 – 50%). Электролит содержится в внутри матрицы (обычно из асбеста). В качестве катализатора могут использоваться различные вещества (Ni, Ag, оксиды металлов, шпинели, благородные металлы). В газах, подаваемых в топливный элемент, не должен содержаться угарный газ CO, отравляющий катализатор, и углекислый газ CO₂, вступающий в реакцию с KOH и образующий K₂CO₃, ухудшающий электролит. Даже небольшая примесь CO₂, содержащаяся в воздухе, должна приниматься во внимание при работе со щелочными топливными элементами.

Фосфорнокислые топливные элементы. В этих топливных элементах электролитом является концентрированная фосфорная кислота (100%). Топливные элементы работают при температурах 150 – 220 °С. При меньших температурах фосфорная кислота становится плохим ионным проводником, также происходит отравление угарным газом платинового катализатора на аноде. Карбид кремния используется в качестве матрицы, удерживающей кислоту; также на него наносится платиновый катализатор на аноде и катоде.

Топливные элементы с расплавленными карбонатами. Электролитом в этих топливных элементах является смесь карбонатов щелочных металлов, удерживаемая керамической матрицей из LiAlO₂. Рабочая температура топливных элементов – от 600 до 700 °С, при которой карбонаты образуют расплав, в котором высокая электропроводность обеспечивается карбонат ионами. При высоких температурах не требуется использовать благородные металлы; достаточная скорость реакции получается при использовании никеля на аноде и оксида никеля на катоде.

Твердооксидные топливные элементы. Электролитом в этих топливных элементах является твердый, непористый оксид металла, обычно ZrO₂, стабилизированный Y₂O₃. Топливный работает при температуре 1000 °С, при которой имеет место ионная проводимость за счет ионов кислорода. Анодом обычно является металлокерамика Co-ZrO2 or Ni-ZrO2, катодом – LaMnO3, активированный Sr.