Энциклопедия автомобилей

Изобретения

Топливный элемент

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасённого в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (водорода или алюминия) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, одновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внутренней мембране. Однако копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах затруднительно, так как протонные помпы митохондрий имеют белковую природу.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую.

Принцип разделения потоков горючего и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы и аккумуляторы содержат расходуемые твёрдые или жидкие реагенты, масса которых ограничена объёмом батарей, и, когда электрохимическая реакция прекращается, они должны быть заменены на новые либо электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или по крайней мере в них нужно поменять израсходованные электроды и загрязнённый электролит. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента, чаще всего определяемая их «отравлением» побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода) образуют устройство для хранения энергии.

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны.

Анодные и катодные материалы и катализаторы

Анод и катод, как правило, — это просто проводящий катализатор — платина, нанесенная на высокоразвитую углеродную поверхность.

Типы топливных элементов

Основные типы топливных элементов

Тип топливного элемента Реакция на аноде Электролит Реакция на катоде Температура, °С
Щелочной ТЭ 2 H2 + 4 OH → 2 H2O + 4 e Раствор КОН O2 + 2 H2O + 4 e → 4 OH 200
ТЭ с протонно-обменной мембраной 2 H2 → 4 H+ + 4 e Протоннообменная мембрана O2 + 4 H+ + 4 e → 2 H2O 80
Метанольный ТЭ 2 CH3OH + 2 H2O → 2 CO2 + 12 H+ + 12 e Протоннообменная мембрана 3 O2 + 12 H+ + 12 e → 6 H2O 60
ТЭ на основе ортофосфорной кислоты 2 H2 → 4 H+ + 4 e Раствор фосфорной кислоты O2 + 4 H+ + 4 e → 2 H2O 200
ТЭ на основе расплавленного карбоната 2 H2 + 2 CO32− → 2 H2O + 2 CO2 + 4 e Расплавленный карбонат O2 + 2 CO2 + 4 e → 2 CO32− 650
Твердотельный оксидный ТЭ 2 H2 + 2 O2 → 2 H2O + 4 e Смесь оксидов O2 + 4 e → 2 O2 1000
Метанольный топливный элемент
Метанольный топливный элемент
(Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41622)

Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор

Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор использует для производства электроэнергии окисление алюминия кислородом воздуха. Токогенерирующую реакцию в нем можно представить в виде:

4 Al + 3 O2 + 6 H2O → 4 Al(OH)3 , E=2,71 V ,

а реакцию коррозии — как:

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2 .

Серьёзными преимуществами воздушно-алюминиевого электрохимического генератора являются: высокий (до 50 %) коэффициент полезного действия, отсутствие вредных выбросов, простота обслуживания.

Преимущества и недостатки

Преимущества водородных топливных элементов