19.5. Топливные элементы

В настоящее время большая часть электрической энергии вырабатывается на тепловых электростанциях при сжигании естественных энергоносителей (угля, нефти, природного газа). При этом процесс превращения химической энергии топлива в электрическую проходит через три стадии: превращение химической энергии в тепловую при сгорании топлива; перевод тепловой энергии в механическую работу в паровой машине; превращение механической работы в электрическую энергию в генераторе. На всех этих стадиях происходят потери энергии и к.п.д. современных тепловых электростанций составляет около 40%, а для большинства электростанций – примерно 25%.

Термодинамический анализ, проведенный еще в конце XIX в., показал, что в гальванических элементах нет такого ограничения к.п.д., как в тепловых машинах. В 1893 г. Нернст вычислил, что если бы удалось превращать химическую энергию угля в электрическую электрохимическим путем, то максимальный теоретический к.п.д. такого процесса составил бы 99,75%. Однако из-за многочисленных технических трудностей первые работоспособные топливные элементы удалось создать лишь в 30 – 40 гг. ХХ в.

Топливными элементаминазывают гальванические элементы, в которых электрохимически активными веществами служат обычные горючие вещества и кислород, а процессом генерирования тока является окисление горючих веществ. При работе элемента производится непрерывная подача реагентов и отвод продуктов реакции, так что состав системы практически не изменяется.

С точки зрения электрохимии простейшим из топливных элементов является водород-кислородный элемент, в котором в электрическую энергию превращается та часть химической энергии, освобождающаяся при окислении водорода, которая может быть превращена в работу (рис. 19.4). При обратимом протекании процесса к.п.д. такого элемента составляет 83%, а расчетное значение ЭДС равно 1,23 В.

Водород-кислородный элемент можно получить, например, с помощью двух платиновых электродов, погруженных в водный раствор гидроксида калия. Один электрод омывается водородом, другой – кислородом:

() Pt(H₂)|KOH, насыщенный Н₂ |КОН, насыщенный О₂ |(О₂)Pt (+)

В этом элементе окисление водорода и восстановление кислорода пространственно разделены, и ток генерируется в процессе реакций:

2H₂4H⁺+ 4e

O₂+ 2H₂O + 4e4OH^,

Рис. 19.4. Схема топливного элемента: 1 – камера водорода; 2 – водородный электрод; 3 – камера кислорода; 4 – кислородный электрод; 5 – электролит

т.е. суммарный процесс сводится к окислению водорода кислородом:

2Н₂+ О₂2Н₂О

Существенным недостатком такого топливного элемента является очень малая плотность тока. Это связано, во-первых, с тем, что мала скорость самих электрохимических реакций, что приводит к сильной поляризации электродов, а во-вторых, с тем, что газы слабо растворяются в электролите, поэтому скорость подачи активных веществ к электродам также мала. Для увеличения плотности тока используют повышенные давления и температуры, специальные конструкции электродов (шероховатые, пористые, двухслойные, мембранные и др.), перемешивание раствора и т.п.

В угольномтопливном элементе электрическая энергия вырабатывается за счет реакции С + О₂СО₂. При использовании в качестве электролита какого-либо водного раствора, схему элемента можно представить в виде

С | раствор электролита | О₂,

а генерирование тока происходит в результате электрохимических процессов:

C + 2H₂O  CO₂ + 4H⁺ + 4e

2H₂O + O₂+ 4e4OH^

Теоретически к.п.д. такого элемента близок к 100%, в действительности же известны лишь такие угольные элементы, которые работают при высоких температурах (700 900^о С), но и их к.п.д. невысок.

При более низких температурах работает газогенераторный элемент

СО | раствор электролита | О₂,

в котором происходит окисление СО на электроде:

CO + H₂O  CO₂ +2H⁺ + 2e,

и генерирование тока обусловлено суммарной реакцией

2СО + О₂2СО₂

Активными веществами топливных элементов могут быть также углеводороды, входящие в состав природного газа и нефти. Например, в метановом топливном элементе (СН₄ | электролит | О₂) получают электрическую энергию в результате реакции

СН₄+ 2О₂СО₂+ 2Н₂О

при протекании электрохимических процессов на электродах:

CH₄ + 2H₂O  CO₂ + 8H⁺ + 8e

2H₂O + O₂+ 4e4OH^

Теоретически к.п.д. такого элемента достигает 92%. Окисление углеводородов (метана, пропана, бутана и др.) в таких элементах происходит при температуре 150 300С.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в создании топливных элементов, в настоящее время их использование весьма ограничено (космические корабли, подводные лодки, другая военная техника). Основное направление в дальнейшем развитии топливных элементов – это создание электродов более удобной формы, увеличение их пористости, поиски эффективных катализаторов. Если удастся более глубоко изучить механизм электродных процессов и разработать методы их ускорения, то топливные элементы могут занять важное место среди других источников электрической энергии.