В чем проблема топливных элементов

"Зеленая" энергетика предполагает широкое использование топливных элементов для преобразования химической энергии в электричество и тепло. Они обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с преобразователями на основе тепловых машин в сочетании с индукционными генераторами: высокий КПД, отсутствие массивных подвижных частей, низкая рабочая температура, чистый выхлоп. Недостаток у них, вероятно, единственный, но существенный - относительно низкий ресурс работы. Реально достигнутый ресурс составляет 1-2 тысячи часов, в то время как ресурс поршневых и лопаточных тепловых машин составляет порядка 100 тыс. часов и выше.

В чем же дело? Дело в том, что рабочий процесс в топливных элементах протекает на поверхности пористых электродов, на границе трех сред - твердых электродов, жидкого электролита и газообразного топлива. Пористая структура электродов необходима для наращивания площади массообмена, и в итоге для повышения плотности генерируемого тока. Топливо и окислитель поступают в элемент извне, из баков, баллонов или атмосферы. Вместе с топливом, а чаще с окислителем, в пористую структуру попадают микрочастицы пыли и инертных газов, которые, в отличие от компонентов, не расходуются в реакции, а накапливаются в этой пористой структуре.

Разумеется компоненты перед подачей в батарею топливных элементов очищаются от примесей, но частицы размером меньше проходных отверстий фильтров проходят через фильтр в топливный элемент. Обычно применяемые фильтры не обеспечивают очистку от примесей с размером частиц менее 5 мкм. Эти частицы оседают в порах электродов, в электролите и газовых каналах, постепенно снижая суммарную площадь активной поверхности и, соответственно, электрическую мощность элемента.

Для противодействия этому эффекту применяют периодическую продувку элемента рабочими газами. При этом относительно эффективно удается удалить накопившиеся инертные газы и некоторую часть твердых примесей, но, к сожалению, не все. Многие частицы настолько плотно "прилипают" к электродам, что удалить их не удается даже при разборке элемента и продувке интенсивным потоком жидкости или газа.

С этой трудностью знакомы все автомобилисты, ведь сухие воздушные фильтры автомобилей также не поддаются очистке и подлежат периодической замене. Но если фильтр является дешевым элементом, то замена электродов, содержащих драгоценный катализатор, фактически ставит предел ресурсу всего элемента.

Описанный механизм снижения эффективности элемента имеет аналог в живой природе, ведь легкие человека и животных пропускают через свои пористые структуры тонны загрязненного воздуха. Но в легких есть способ очистки от пыли. Он заключается в выделении жидкости из глубины воздушных каналов, вытеснении частиц пыли в более широкие части каналов, а затем в отхаркивании и откашливании этой жидкости вместе с пылью. К сожалению, живому организму не всегда удается вывести вредные вещества, такие как угольную пыль у шахтеров или частицы смолы и пепла у курильщиков.

Если бы разработчикам топливных элементов удалось придумать способ самоочистки пористых электродов, ресурс топливных элементов можно было бы существенно увеличить.

Конечно, кроме внешнего загрязнения, ресурс элемента снижается также из-за окисления поверхности электродов и зерен катализатора, но, вероятно, внешнее загрязнение является определяющим фактором.