Топливный элемент - это устройство для электрохимического преобразования энергии, которое производит электричество и тепло путем электрохимического соединения топлива (обычно водорода) и окислителя (обычно кислорода). Топливный элемент способен преобразовывать химическую энергию непосредственно в электрическую без необходимости сжигания, при условии подачи топлива. Как следствие, топливный элемент обеспечивает гораздо более высокую эффективность преобразования, чем обычный двигатель внутреннего сгорания, который ограничен эффективностью цикла Карно. Для работы топливного элемента не обязательно нужен чистый водород. Система топливных элементов, включающая установку для преобразования топлива, может использовать водород из любого углеводородного топлива – от природного газа до метанола и даже бензина. Поскольку топливные элементы основаны на электрохимических процессах, а не на сгорании, выбросы от систем такого типа все равно будут намного меньше, чем при самых чистых процессах сжигания топлива. Работа топливного элемента приводит к значительно более низким выбросам углекислого газа и незначительному количеству других загрязняющих веществ, таких как SOx и NOx, по сравнению с технологиями, основанными на ископаемом топливе, при той же мощности.
1. Принцип работы топливных элементов
Топливный элемент состоит из двух электродов, расположенных вокруг электролита, как показано на Рисунке 1.
Водородное топливо подается на анод топливного элемента. Кислород (или воздух) поступает в топливный элемент через катод. На аноде водород расщепляется на протоны и электроны
Протоны диффундируют через электролит к катоду, а электроны создают в цепи электрический ток, который может быть использован до того, как они достигнут катода. Электроны рекомбинируют с протонами и кислородом на катоде, образуя воду
Общая реакция такова:
Из приведенных выше уравнений видно, что потенциал элемента Е° или потенциал разомкнутой цепи топливного элемента в идеальных условиях равен 1,23 В отн. СВЭ. На Рисунке 2 показаны рабочие характеристики (вольтамперная кривая) типичного одиночного топливного элемента, где пунктирная линия представляет идеальное поведение, а сплошная линия - реальное поведение.
Из кривой видно, что фактический потенциал разомкнутой цепи меньше идеального и уменьшается (т.е. происходит потеря напряжения) с увеличением плотности тока. Существует четыре основных фактора, которые способствуют этим потерям:
- Активационные или кинетические потери, обусловленные скоростью реакций переноса заряда, происходящих на поверхности электродов.
- Омические или резистивные потери, обусловленные сопротивлением потоку электронов через материалы электродов, мембраны и электролита, пропорциональны плотности тока.
- Массоперенос, диффузия или концентрационные потери из-за изменения концентрации реагентов на поверхности электродов по мере их израсходования.
- Переход топлива и внутренние токи. Этот тип потерь (не показан на Рисунке 2) обычно возникает из-за неиспользованного топлива, проходящего через электролит, и блуждающих токов, возникающих из-за проведения электронов через электролит. В принципе, электролит должен транспортировать только ионы, но иногда, особенно в случае топливных элементов с прямым использованием метанола, диффузия топлива и электронная проводимость могут привести к значительным потерям.
2. Сборки топливных ячеек
Как уже упоминалось, теоретический максимум одного топливного элемента составляет 1,23 В. После учета различных потерь напряжения на практике реальное напряжение одного топливного элемента может составлять всего 0,7 В. Этого напряжения недостаточно для большинства применений. Поэтому для получения более высоких напряжений топливные элементы соединяют вместе, образуя блок (сборку, стэк, батарею) топливных элементов.
Сборки топливных элементов могут быть сконфигурированы различными способами путем последовательного и параллельного подключения групп элементов, обеспечивая таким образом напряжение, ток и мощность, необходимые для конкретного применения. Количество отдельных элементов, содержащихся в одной батарее, обычно превышает 50 и может значительно варьироваться в зависимости от конструкции батареи. Схема батареи топливных элементов показана на Рисунке 3.
Основными компонентами сборки топливных элементов являются анод, катод и электролит, а также дополнительные компоненты, необходимые для электрических соединений, изоляции и подачи топлива и окислителя. Кроме того, блок топливных элементов имеет токосъемники и разделительные пластины. Токосъемники проводят электроны от анода к разделительной пластине. Разделительные пластины обеспечивают электрическое соединение между элементами и физически отделяют поток окислителя в одном элементе от потока топлива в соседнем элементе. Часто два токосъемника и разделительная пластина объединяются в единый блок, называемый биполярной пластиной. Каналы в токосъемнике служат путями распределения топлива и окислителя.
3. Электрохимические методы исследования топливных элементов.
3.1 Линейная вольтамперометрия (ВА)
ВА показывает общую эффективность и три зоны потерь: активационные (начало кривой), омические (линейный участок) и концентрационные (резкий спад при высоких токах). В водородных топливных элементах по вольтамперограммам оценивают чистоту используемых газов. Если на кривой виден аномальный спад в зоне активации, это может сигнализировать об «отравлении» платинового катализатора примесями (например, угарным газом CO из плохо очищенного водорода). Кроме этого, данный подход используется для проверки на наличие внутренних коротких замыканий между анодом и катодом, которые могут возникнуть при сборке ячейки. В отличие от стандартной работы топливного элемента, при этом тесте в анодную полость подается водород (он служит электродом сравнения и вспомогательным электродом), а в катодную — инертный газ (азот или аргон). Потенциал на рабочем электроде медленно поднимают от 0 до ~0.4–0.6 В. Если ток быстро выходит на «плато» (предельный ток кроссовера водорода) и остается горизонтальным, это значит мембрана цела и коротких замыканий нет. В случае внутреннего короткого замыкания вместо горизонтального плато наблюдается линейный рост тока с увеличением напряжения. На графике это выглядит как наклонная прямая.
3.2 Циклическая вольтамперометрия (ЦВА)
С помощью ЦВА можно получить ценную информацию о кинетике процессов. Позволяет измерить площадь активной поверхности катализатора (ECSA). Это критически важно, чтобы понять, не «спекается» ли платина и насколько эффективно она работает. Для водородных топливных элементов анализируют пики адсорбции и десорбции водорода на платине. Если площадь падает со временем — значит, частицы платины укрупняются или вымываются, и катализатор деградирует.
3.3 Спектроскопия электрохимического импеданса (ЭИС)
Спектроскопия электрохимического импеданса успешно применяется для исследования топливных элементов. Одним из преимуществ ЭИС перед методами постоянного тока является возможность использования сигналов очень малой амплитуды без существенного нарушения измеряемых свойств. Данная методика позволяет «разделить» сопротивления. Вы четко видите, сколько теряется на контактах и в электролите (высокие частоты), а сколько — из-за медленных реакций на катализаторе (низкие частоты). Это как МРТ для топливного элемента.
Для водородных топливных элементов критически важен баланс воды в полимерной мембране (Nafion). Если мембрана «сухая», это приводит к резкому росту сопротивления. (высокочастотный сдвиг на диаграмме Найквиста). При «заливании» мембраны вода блокирует поры, водород не доходит до платины. Это мгновенно видно в низкочастотной области импеданса как рост диффузионных затруднений.
3.4 Кроссовер водорода
Это специфический тест именно для топливных элементов с протонпроводящей мембраной (PEM). В нём измеряют количество водорода, который просто просачивается сквозь мембрану к катоду, не вступая в полезную реакцию. Таким образом, это прямой показатель здоровья мембраны. Высокий ток кроссовера означает, что в мембране появились микротрещины или она стала слишком тонкой.
На этом всё.
Спасибо, что дочитали. Надеемся, что это было вам полезно и интересно.
Будем рады любой обратной связи!
Подписывайтесь, если не подписаны, и рассказывайте о нас друзьям и коллегам.