3 Устройство тэ

3.1 Принцип работы топливного элемента

Используя электролит, катод и анод, в топливном элементе происходят электрохимические реакции, в результате которых вырабатывается электроэнергия и тепло.

Рисунок 3.1.1

На рисунке 3.1.1 изображен топливный элемент, где анод и катод разделены электролитом, проводящим протоны. В том случае, когда кислород поступает на катод, а водород – на анод, начинается химическая реакция, в результате которой вырабатывается электрический ток, тепло и вода. На аноде водород диссоциирует и теряет электроны. В итоге протоны водорода проводятся к катоду через электролит, а электроны идут по внешней электрической цепи, и как результат вырабатывается электрический ток. На катоде происходит соединение молекулы кислорода с электроном и пришедним протоном, в результате получается вода, которая является продуктом реакции. [2]

В результате работы топливного элемента, продуктом реакции является вода, а это значит, что топливные элементы безвредны при использовании и не выделяют вредных веществ

Формулы (3.1.1), (3.1.2) и (3.1.3) дают ясное представление о происходящих реакциях в топливном элементе,:

Реакция на аноде:

2H₂ => 4H⁺ + 4e^- (3.1.1)

Реакция на катоде:

O₂ + 4H⁺ + 4e^- => 2H₂O (3.1.2)

Общая реакция элемента:

2H₂ + O₂ => 2H₂O (3.1.3)

3.2 Пример водородно-кислородного топливного элемента

«Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %»[3]

4 Типы топливных элементов

4.1 Типы элементов

Существуют различные типы топливных элементов. Различные типы служат для разных целей применения.

Топливные элементы делятся на низкотемпературные и высокотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы отличаются от высокотемпературных тем, что в качестве топлива низкотемпературных топливных элементов требуется чистый водород. Это значит, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива в чистый водород. Для этого нужно дополнительное оборудование, а также энергия. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре. Это значит, что высокотемпературные топливные элементы экономически выгоднее использовать, чем низкотемпературные, так как нет необходимости вкладывать деньги в водородную инфраструктуру. [3]