Кислородно-водородный топливный элемент

В настоящее время достигнуты значительные успехи в разработке водородно-кислородного топливного элемента. В этом элементе протекает реакция, которая описывается уравнением:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + электроэнергия + Q

На рис.2 приведена схема кислородно-водородного топливного элемента.

	Рис. 2. Схема кислородно-водородного топливного элемента: 1 - анод (Pt), 2 - катод (Pt), 3 - электролит (раствор KOH).

К аноду подводится топливо (H₂) - восстановитель, к катоду - окислитель (чистый кислород или кислород воздуха). Между электродами находится электролит (ионный проводник), в качестве которого используется раствор щелочи. Схема ТЭ записывается в виде:

(-) H₂, Me | KOH | Me, O₂ (+),

где Me - проводник первого рода (Pt), играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде протекает реакция окисления водорода:

На катоде протекает реакция восстановления кислорода:

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе движение OH^- -ионов - от катода к аноду. Таким образом в результате реакции генерируется электрический ток, и химическая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию.

Эффективность работы топливного элемента определяется скоростями соответствующих электродных процессов, которые, в свою очередь, зависят от электрохимической активности электродов и величины их поверхности. Высокая электрохимическая активность электродов достигается введением в них соответствующих катализаторов. В качестве катализаторов электродных процессов в ТЭ используются металлы платиновой группы (Pt, Pd, Ir), Ag, специально обработанные Ni, Co, активированный уголь.

Так как величина тока, протекающего через электрод, зависит от его поверхности, то в топливных элементах применяют пористые электроды, обладающие развитой поверхностью. Пористый электрод представляет собой систему контактирующих друг с другом твердых частиц, обладающих электронной проводимостью, и пустот между частицами. При подаче газообразного окислителя и восстановителя электрохимические реакции протекают на участках пористого электрода, легкодоступных как для газа, так и для электролита. Важное значение для эффективной работы ТЭ имеет подбор электролита. Он должен обладать высокой ионной электропроводностью и стабильностью, т.е. не изменять своего состава при взаимодействии с топливом и окислителем. Электролит не должен вызывать коррозию электродов и других частей топливного элемента. В качестве электролитов широко используются водные растворы KOH, NaOH, H₃PO₄, расплавы карбонатов и твердые электролиты (ионообменные мембраны, ZrO₂, TiO₂, MgO, Al₂O₃ и др.).

В зависимости от температуры применяемого электролита топливные элементы делят на высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

Высокотемпературные элементы работают при температурах 400-1000 °C на расплавленных карбонатах или твердых электролитах, основу которых составляет ZrO₂. Среднетемпературные элементы работают при температурах 180-250 °C на водных щелочных электролитах (30-45% KOH) или на концентрированной H₃PO₄. Низкотемпературные ТЭ работают при температурах ниже 100 °C со щелочными и кислотными электролитами.

В низкотемпературных элементах не удается использовать природные виды топлива: нефть, продукты ее переработки, природный газ (метан). Проблема использования этих видов топлива решается по двум направлениям:

1) применением высокотемпературных элементов и

2) предварительной химической обработкой топлива для получения электрохимически активных веществ.

В табл. 3 приведены теоретические и экспериментальные значения ЭДС основных типов электрохимических реакций, используемых в ТЭ, работающих на газообразном, жидком и твердом топливе.

Таблица 3.

Теоретические и экспериментальные значения ЭДС (Т = 298 К) электрохимических реакций,

используемых в топливных элементах