Введение
Топливный элемент - устройство для выработки электроэнергии за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую минуя стадию традиционного теплового преобразования при горении топлива. Т.е., в данных устройствах нет никакого горения в привычном понимании этого процесса. При этом попутно производит тепловую энергию.
Главной особенностью и достоинством топливных элементов является отсутствие стадии образования теплоты при сжигании топлива, что существенно повышает КПД этих устройств.
По конструктивному устройству представляют собой блок ячеек или секций можно еще так назвать. Каждая ячейка состоит и катода и анода, разделенных слоем ион-проводящего электролита.
Суть работы в общих чертах заключается в том, что два компонента - топливо и окислитель ионизируются на электродах катоде и аноде. При этом ионы и электроны мигрируют от одного катода к другому но разными путями. Ионы - внутри ячейки, в то время как электроны отводятся во внешнюю сеть и питают потребителя, т.е., в виде электрического тока. И затем после воссоединения ионов с электронами образуются конечный продукт реакции.
В настоящее время данная технология получила достаточное распространение и применение.
1. Принцип работы
Это самый первый, самый ранний тип из освоенных. В качестве электролита используется щелочь КОН, содержащейся в специальной матрице. Концентрация зависит от рабочей температуры, которая лежит в диапазоне от 60 до 200грЦ. В качестве мигрирующего иона является ОН(–).
Основные реакции:
Катод: 2Н2 + 4OН(–) – 4ē → 4Н2O;
Анод: O2 + 2Н2O + 4ē → 4OН(–);
Общая реакция: 2H2 + O2 → 2H2O
Топливо (водород) подается на анод, где в результате взаимодействия с ионом ОН(-), пришедшего со стороны катода, а также каталитического взаимодействия с поверхностью электрода происходит его ионизация с образованием воды и свободных электронов, которые питают нагрузку, т.е., потребителя. Одновременно с этим на катод подается увлажненный кислород и туда же приходят свободные электроны после нагрузки, что приводит к ионизации молекулярного О2 с образованием иона ОН(-), мигрирующего к аноду.
Катодный и анодный ГДС состоят из двух слоев – слоя проводящих микрочастиц и слоя основного материала.
Надо отметить, что если рабочая температура топливного элемента больше 100грЦ, то продуктом реакции будет водяной пар. Но это больше акутально для высокотемпературных типов топливных элементов.
2. Новые мембранные технологии
В связи с последними разработками в области щелочных топливных элементов на фоне новой волны интереса к водородной энергетике были получены модифицированные варианты анионообменной мембраны в виде полибензимидазола (ПБИ), а также на основе полимера Nafion - полисульфон четвертичного аммония (ЧАПС).
Последний обладает высокой термической стабильностью, ионной проводимостью и механической прочностью.
На основе ЧАПС был создан топливный элемент с щелочным полимерным электролитом, представленный на рисунке.
3. Область применения
К настоящему времени щелочные топливные элементы применяются в специальных наземных и аэрокосмических видах транспорта мощностью до 100 кВт и КПД 60-70%.
Заключение
Есть только две технологии преобразования химической энергии водорода как топлива в электроэнергию: за счет окисления, т.е., традиционное горение и, собственно, они самые топливные элементы. Надо сказать, что сейчас все известные типы топливных элементов вполне развиваются и разрабатываются, но каждый в своем русле, имеют свои области применения, диапазон используемой мощности и КПД. Но обо всем по порядку...