ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Под топливным элементом несколько ограниченно понимают элемент, в котором химическая энергия преобразуется непосредственно в электрическую за счет электрохимического окисления обычного топлива. Но, вообще говоря, это понятие охватывает любой элемент, в который непрерывно подаются реагенты и из которого непрерывно отводятся продукты реакции, так что он может давать электроэнергию неопределенно долго. Основным преимуществом топливного элемента перед другими источниками тока является, конечно, высокий к. п. д., которого в принципе можно достичь, преобразуя в доступную электрическую энергию изменение свободной энергии реакции. На практике для достижения высокого к. п. д. нужно, чтобы были низкими внутреннее сопротивление элемента и перенапряжение (см.) у каждого из электродов.

В настоящее время лучше всего разработан водороднокислородный топливный элемент. Теоретически при сгорании водорода в кислороде в соответствии с реакцией

можно получить напряжение, равное 1,23 В. С применением хороших катализаторов за счет такой реакции, проводимой при обычных температурах, можно получить плотности тока от 100 до при напряжении . Элементы же, работающие при температурах 370—470 К, например элемент Бэкона, могут давать при том же напряжении и с более дешевыми катализаторами.

Главная задача при разработке топливных элементов — обеспечить достаточно быстрое протекание электродных

реакций при низких перенапряжениях. Эта задача частично решается применением электродных поверхностей, обладающих высокой каталитической активностью в данной реакции. В частности, реакция с участием кислорода характеризуется низкой плотностью тока обмена и обычно протекает очень медленно; поэтому много усилий было направлено и сейчас направляется на изыскание эффективных катализаторов. Другая задача — как можно быстрее подводить газы-реагенты к границе электрод — электролит, чтобы поддерживать достаточно большие токи. Для этого электроды делают в виде тонких листов пористого материала (металла, угля или металлизированного пластика) и подбирают давление газа и размеры пор так, чтобы внутри пор существовала граница газ — жидкость. Тогда внутри каждой поры имеется участок поверхности, покрытый очень тонкой пленкой жидкости, через которую реагент легко может пройти к активной поверхности.

В качестве электролита обычно берется концентрированный раствор сильной кислоты или щелочи, что позволяет увеличить проводимость и уменьшить концентрационное перенапряжение (см.). Лучше всего подходит гидроокись калия, поскольку она менее агрессивна, нежели крепкие кислоты, но ее не всегда можно использовать, так как она реагирует с углекислым газом. Если ее применить в водородно-воздушном элементе, то воздух придется очищать. Гидроокись калия непригодна для топливных элементов, рассчитанных на углеводородное топливо, поскольку будет одним из продуктов реакции в элементе. Другие возможные электролиты — концентрированная серная кислота (пригодная только при не очень высоких температурах) и фосфорная кислота.

Толщина слоя электролита может составлять всего лишь 1 мм. В топливных элементах, применявшихся на космическом корабле «Джемини», электролит был заменен ионообменной мембраной. Она служит проводящей средой между электродами и в то же время обеспечивает механическую прочность устройства. Кроме того, такой элемент служит источником питьевой воды, поскольку воду, образующуюся в результате реакции в элементе, можно собирать в чистом виде воды на .

Как уже указывалось, батареи топливных элементов

выполняют в виде плоских, слоистых конструкций; отдельный элемент такой батареи (его толщина не превышает 1 см) схематически изображен на рис. Т. 4. Для низкотемпературных элементов необходим самый эффективный катализатор — платина, а на кислородном электроде можно использовать серебро. Чтобы снизить стоимость элемента, платиновое покрытие предусматривают только в области непосредственного контакта между газом и жидкостью. В среднетемпературных элементах, таких, как элемент Бэкона, который работает приблизительно при 470 К, катализатором на водородном электроде служит никель, а на кислородном — окись никеля (на основе пористого никеля).

Рис. Т. 4. Схема водородно-кислородного топливного элемента

В состав вспомогательного оборудования для такого элемента входят насосы для подачи газов-реагентов, конденсатор для удаления образующейся воды из газовых потоков и нагреватель для обеспечения начальной температуры (в работающем элементе нужная температура поддерживается за счет выделяющегося в нем тепла). Важное практическое значение имеет также вопрос об источнике водорода. Электролитический водород не может идти в расчет; исключением могут быть лишь электроаккумуляторные системы, а также те случаи, в которых расходы несущественны. Водород можно получать in situ, действуя паром на какое-нибудь дешевое жидкое топливо, согласно таким реакциям, как

или путем катализированного термического разложения жидкого аммиака:

Второй способ имеет то преимущество, что азот безвреден, тогда как возможно, пришлось бы удалять.

Очевидно, было бы гораздо выгоднее использовать органическое топливо непосредственно в самом элементе и обходиться без упомянутых вспомогательных реакций. Метанол и пропан должны реагировать на аноде:

К сожалению, эти реакции медленные и требуют дорогостоящих катализаторов и повышенных температур. Кроме того, пришлось бы работать с кислым электролитом, поскольку одним из продуктов реакций является а также принимать меры по предотвращению образования промежуточных продуктов, например формальдегида, отравляющих катализатор. В настоящее время принципиальные преимущества прямого применения топлив не удается реализовать, и пока еще выгоднее использовать их косвенно для получения топлива, на котором работает элемент Бэкона.

Исследовалась также возможность создания высокотемпературных топливных элементов с расплавленной солью или проводящим окислом в качестве электролита. Например, в температурном интервале 770-970 °К можно использовать углеводородное топливо с расплавленной смесью карбонатов щелочных металлов. Топливо дает с водяным паром смесь окиси углерода и водорода при рабочей температуре. На аноде протекают реакции

На катоде происходит реакция

так что суммарные реакции имеют вид

См. также [10]; Liebhafsky Н. Л., Cairns Е. J.9 Fuel Cells, Wiley, 1968.