В настоящее время разработано большое число топливных элементов, в которых используются различные виды топлива, разнообразные электроды и электролиты,
работающие в большом диапазоне температур и отличающиеся друг от друга по конструктивному оформлению. В зависимости от этих факторов и классифицированы топливные элементы.
Применение того или иного типа топливного элемента определяется прежде всего его назначением. В некоторых первостепенное значение должно быть уделено вырабатыванию энергии низкой стоимости, что достигается увеличением массы, габаритных размеров и ухудшением некоторых других показателей. Такими, например, могут быть топливные элементы, предназначенные для обеспечения электроэнергией предприятий химической промышленности. В топливных элементах, которые должны применяться в военном деле или в некоторых других специальных областях техники, стоимость электроэнергии отходит на второй план. Зато первостепенное значение приобретают требования минимальных массы и габаритных размеров, высокой надежности и другие специфические качества. Американские специалисты считают, что в таких элементах стоимость 1 квт мощности может обходиться в 10 000 долларов, тогда как в элементах для промышленных установок эта величина не должна превышать 100 долларов, иначе они не будут рентабельными.
Топливные элементы разделяют также в зависимости от типа топлива и окислителя, которые в них используются. В качестве окислителя на катоде в настоящее время применяют либо чистый кислород, либо воздух: Топливом, которое подводят к аноду, служат чистый водород или же некоторые углеводороды и спирты, в том числе метан, метиловый спирт и др.
Кроме того, топливные элементы можно разделить по температуре и давлению, при которых они работают. Не говоря уже о высокотемпературных элементах, которые составляют особую группу, даже сравнительно небольшие изменения рабочей температуры и давления влияют на электродную плотность тока, массу и другие характеристики элементов, как это видно из табл. 5, составленной по зарубежным источникам.
Масса и объем батарей в таблице приведены с учетом электрических и газовых выводов и соединений, но они не включают запасы топлива и окислителя (водород и кислород).
Характеристика | Давление атмосферное, Т = 294°К | Давление атмосферное, Т = 333°К | Давление 50 н/см2, Т = 333°К |
Мощность, кет...................... | 10 | 10 | 10 |
Плотность тока, ма/см2 . . | 26,9 | 53,8 | 108 |
Напряжение элементов, в | 0,94 | 0,94 | 0,9 |
Масса батареи, кг ... | 1180 | 680 | 450 |
Объем батареи, м3 . . . | 1,02 | 0,54 | 0,31 |
Из различных видов топлива и окислителей наибольшее распространение в настоящее время получили соответственно водород и кислород. Поэтому и наиболее изучены водородно-кислородные топливные элементы.
В этих элементах продуктом реакции окисления является вода. Если элемент работает при нормальной температуре, вода поступает в электролит, плотность его уменьшается и ухудшаются характеристики топливных элементов. Для поддержания нормальной плотности электролита необходимо или добавлять свежий электролит, или же непрерывно удалять образующуюся воду.
Если элемент работает при температуре 333—338° К, воду можно удалять с потоком избыточного водорода, который можно осушать и снова возвращать в элемент. Если элемент работает не на чистом кислороде, а на воздухе, то водяные пары могут вместе с азотом и некоторыми побочными продуктами реакции отводиться в атмосферу.
Когда топливным элементам приходится работать при низких температурах окружающей среды, для повышения электрохимической активности подогревают электролит с помощью электрических или химических подогревателей с терморегуляторами. Но обычно такой подогрев требуется только для маломощных батарей — до 250 вт. Для батарей большей мощности подогрев не требуется, так как они в достаточной степени сами нагреваются теплом, выделяющимся в них при работе.
Применение воздуха вместо кислорода уменьшает электродную плотность тока, поэтому воздух целесообразно использовать в батареях, которые должны работать при меньших величинах тока. Если батарея предназначена для продолжительной работы, то плотность тока не следует увеличивать сверх 26—38 ма/см2.
Работа топливных элементов с переменной нагрузкой не вызывает нежелательных последствий, а даже оказывает на элементы положительное влияние и позволяет несколько повысить электродную плотность тока топливных элементов.
В настоящее время уже разработано более шестидесяти различных образцов топливных элементов, причем большинство из них является водородно-кислородными. Рассмотрим некоторые из этих образцов.
