В топливном элементе (ТЭ) происходит непосредственно процесс преобразования химической энергии в электрическую, поэтому батарея ТЭ является главной составной частью электрохимического генератора (ЭХГ). Электроды ТЭ при работе не расходуются, к ним непрерывно подводятся окислитель и восстановитель (топливо). На катоде восстанавливается окислитель, на аноде окисляется восстановитель. Для ускорения процессов окисления и восстановления применяют каталитические активные электроды с высокоразвитой поверхностью. Ионным проводником в ТЭ служат либо водные растворы щелочей и кислот, либо расплавленные или твердые электролиты.
Кроме природных видов топлива, таких как углеводороды, в ТЭ могут быть использованы получаемые из них вещества: метанол и водород. Окислителем обычно служит кислород воздуха.
Так как реагенты хранятся вне ТЭ, то эти источники тока не характеризуются разрядной кривой и емкостью.
Батарея ТЭ, системы подвода реагентов, отвода теплоты и продуктов реакции, а также автоматики входят в состав ЭХГ, последний вместе с системами хранения реагентов — в состав электрохимической энергоустановки. Электрохимическая энергоустановка характеризуется напряжением, мощностью, энергией и удельной энергией, КПД и ресурсом.
Под КПД понимается отношение электрической энергии, отдаваемой энергоустановкой, к химической энергии, подводимой к установке. Ресурсом электрохимической установки называется продолжительность работы в заданных пределах параметров.
Наиболее разработаны ТЭ и ЭХГ на основе электрохимической системы кислород (воздух) — водород.
Кислородно (воздушно)-водородные ТЭ и ЭХГ. Токообразующей реакцией в кислородно-водородном элементе является реакция окисления водорода:
O2 + 2Н2 - 2H2O.
Катализаторами кислородного электрода служат уголь, серебро, платина, оксиды никеля и кобальта, катализаторами водородного электрода — платина н палладий, никель, карбид вольфрама и др. В качестве электролита низко- (100 °С) н среднетемпе- ратурных (200 °С) ТЭ используются растворы гид- роксида калия, фосфорная кислота, ионообменные мембраны. Кроме электродов и электролита ТЭ обычно имеют другие части: анодную и катодную камеры, устройства для отвода теплоты, токосъемники, прокладки. В состав некоторых ТЭ входят пористые пластины для электролита, фитили для отвода воды и т. д. Напряжение воздушно-кислородных элементов различных фирм и организаций лежит в пределах 0,8+0,9 В при плотности тока 0,1+0,2 А/см2 и температуре 80+90 °С.
На основе ТЭ созданы ЭХГ мощностью от сотен ватт до 11 МВт. Электрохимические генераторы нашли применение для питания аппаратуры космических кораблей и станций: "Джемини", "Аполлон", "Шаттл" и др. Электрохимический генератор для космического корабля "Аполлон" имел мощность 0,56+2,3 кВт и напряжение 31+21 В. Генератор питал корабль электроэнергией и водой. Потребление водорода и кислорода составляло 0,36 кг/ (кВт -ч), удельная энергия всей энергоустановки при полете корабля на Луну составляла 0,86 кВт -ч/кг.
В России созданы ЭХГ космического назначения мощностью до 30 кВт.
Энергоустановки с использованием углеводородов и угля. Природные углеводороды и уголь пока не могут быть непосредственно использованы в ТЭ, работающем при температуре ниже 500 °С, так как скорость их анодного окисления мала. Поэтому они предварительно подвергаются переработке с целью получения водорода или смеси водорода с другими газами.
Схема электрохимической энергоустановки
1 — блок аппаратов для обработки топлива; 2 — ЭХГ; 3 — инвертор
Природный газ, например, подвергают конверсии водяным паром в присутствии катализаторов. Реакция происходит в две стадии:
СН4 + Н2О - СО + ЗН2, СО + Н2О - СО2 + Н2.
Уголь обрабатывают водяным паром или смесью водяного пара и кислорода. Основными продуктами этих реакций являются водород и оксид углерода.
Продукты переработки углеводородов или угля затем подаются в среднетемпературный или высокотемпературный ЭХГ. Среднетемпературный ЭХГ имеет воздушно-водородный ТЭ с фосфорнокислым электролитом, работающий при 200 °С. В высокотемпературных ЭХГ применяются ТЭ либо с расплавленным, либо с твердым электролитом. Расплавленный электролит состоит из смеси карбонатов натрия, лития и калия. Элемент с таким электролитом работает при 600+700 °С. Твердым электролитом ТЭ служит смесь диоксида циркония Zr02 и триоксида иттрия У2Оз. Элементы работают при 1000 °С.
Кроме блока аппаратов для обработки углеводородов и ЭХГ энергоустановка может иметь инвертор. Схема энергоустановки приведена на рис. Созданы и испытаны установки мощностью от 12 кВт до 11 МВт, работающие на природном газе. КПД этих установок составляет 38+45%. Кроме электроэнергии электрохимические установки генерируют теплоту, которая может быть использована на теплофикацию, для генерации пара или для генерации электроэнергии в паровых или газовых турбинах. При этом суммарный КПД установок существенно возрастает. Например, КПД по электроэнергии электрохимической электростанции, в которой теплота ЭХГ используется в паротурбинном цикле, может достигать 50+60%, а суммарный КЦД с учетом теплофикации — 80+90%.