Принцип действия топливных элементов

В топливных элементах химическая энергия топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, превращается непосредственно в электрическую энергию, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энергии протекает через несколько промежуточных стадий, в том числе через стадию образования теплоты (рис. 2). Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется в первую очередь их электрохимической активностью (то есть скоростью реакций на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода реагента в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ. В качестве топлива в ТЭ обычно используется водород, реже СО или СН4, окислителем обычно является кислород воздуха. Рассмотрим для примера работу кислородно-водородного ТЭ с щелочным электролитом (раствором КОН).

Реакция окисления водорода.

2Н2 + О2 = 2Н2О.

в ТЭ протекает через электроокисление водорода на аноде.

2Н2 + 4ОН — 4е > 4Н2О и электровосстановление кислорода на катоде О2 + 2Н2О + 4е > 4OH;

Гидроксид-ионы двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи — от анода к катоду. Суммируя уравнения реакций (2) и (3) получим уравнение реакции (1). Таким образом, в результате реакции (1) во внешней цепи протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической энергии реакции (1) в электрическую.

Рис. 2. Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами

Электродвижущую силу (ЭДС) ТЭ можно рассчитать по уравнениям химической термодинамики.

где Eэ — ЭДС, Gх.р — изменение энергии Гиббса в результате протекания химической реакции, n — число электронов на молекулу реагента, F — постоянная Фарадея (96 484 Кл/моль). Например, расчет по уравнению (4) для реакции (1) и воды в жидком состоянии при давлениях О2 и Н2, равных 100 кПа, дает значение Еэ 298 = 1,23 В.

Так как процесс преобразования энергии не имеет промежуточной стадии генерации теплоты (см. рис. 2), то для электрохимического способа нет ограничения цикла Карно и теоретический КПД преобразования энергии можно рассчитать по уравнению.

где Hх.р — изменение энтальпии в результате протекания химической реакции (тепловой эффект реакции). Например, КПД, рассчитанный по уравнению (5), равен зт, 298 — 1,0 для метана и зт, 298 = 0,94 для водорода.

Принципиальная схема ТЭ представлена на рис. 3. Топливные элементы, как и другие источники тока (гальванические элементы и аккумуляторы), состоят из анода, катода и ионного проводника (электролита) между ними. Основное отличие ТЭ от гальванических элементов заключается в том, что в ТЭ используются нерасходуемые электроды, поэтому ТЭ могут работать длительное время (до нескольких десятков тысяч часов). Реагенты в ТЭ поступают во время работы, а не закладываются заранее, как в гальванических элементах и аккумуляторах. В отличие от аккумуляторов ТЭ не требуют подзарядки. Реальный ТЭ имеет сложное строение по сравнению со схемой, представленной на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема ТЭ

Впервые о ТЭ в 1839 году сообщил английский исследователь Гроув, который при проведении электролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего тока в ячейке генерируется постоянный ток. Однако работа Гроува тогда не могла быть реализована. Не удалось реализовать и идею известного физикохимика В. Оствальда (1894 год) о генерации электрической энергии в ТЭ, работающих на природных углях, а также изобретенного русским ученым П. Яблочковым (1887 год) водородно-кислородного ТЭ и результатов других исследований и изобретений. Интерес к ТЭ снова возродился в начале 50-х годов после публикации в 1947 году монографии российского ученого О. Давтяна, посвященной ТЭ [4]. Работы по ТЭ ведутся в США, Японии, Германии, России, Италии, Канаде, Голландии и других странах. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Джемини», «Аполлон» и «Шаттл». В России была созданы ТЭ для корабля «Буран» [5]. Интерес к ТЭ снова повысился с конца 70-х — начала 80-х годов в связи с необходимостью разработки экологически чистых стационарных и транспортных энергоустановок.