Рассмотрим некоторые характерные особенности, определяющие работу и устройство топливных элементов.
Самое главное в них, пожалуй, то, что они не относятся к тепловым машинам. На первый взгляд такое утверждение вызывает сомнение. Действительно, в устройство подаются топливо и окислитель, как и в любой тепловой двигатель, кроме того, во время работы большинство топливных элементов разогревается. Однако, несмотря на внешнюю аналогию с некоторыми видами тепловых машин, топливные элементы принципиально отличаются от них тем, что превращение химической энергии в электрическую происходит в них непосредственно, без промежуточного преобразования в тепловую энергию.
Если в топливных элементах и происходит выделение незначительного количества тепла, то это явление вызывается второстепенными, сопутствующими основному преобразованию процессами. Поэтому ограничения, которые накладывал на экономичность тепловых машин коэффициент полезного действия цикла Карно, в данном случае отсутствуют.
Теоретически в топливных элементах можно превратить в электроэнергию всю поданную в элемент химическую энергию и получить коэффициент полезного действия, равный единице. Больше того, возможно, что в электроэнергию будет превращаться не только вся химическая энергия самого топлива, но и некоторая часть тепловой энергии, которую топливный элемент будет забирать от окружающей среды. Тогда кажущийся к. п. д. элемента станет даже больше единицы! А у тепловых машин даже теоретически к. п. д. не может быть равен единице.
Практически к. п. д. топливных элементов будет несколько меньше единицы, так как некоторые потери неизбежны. Незначительная часть химической энергии топлива все же будет превращаться в тепло и рассеиваться в окружающую среду. Эти потери будут, естественно, тем больше, чем выше температура, при которой работает топливный элемент. Расчеты показывают, что для топливного элемента, работающего на чистом водороде и кислороде, зависимость к. п. д. от температуры будет следующей:
Температура, °К | 400 | 500 | 1000 | 2000 |
К.п.д., % | 92 | 90 | 78 | 54 |
Если сравнить эти величины со значениями к. п. д. тепловых машин, то станет ясным огромное преимущество новых преобразователей энергии. Если на корабле при том же запасе топлива применить вместо обычных тепловых машин топливные элементы, то дальность плавания корабля возрастет в несколько раз!
Другой важной характеристикой является величина электродвижущей силы, которая может быть получена от топливных элементов.
Расчеты показывают, что э. д. с. одного топливного элемента не превышает 1 в. Когда топливный элемент
находится под нагрузкой, величина напряжения на его зажимах будет несколько ниже. Падение напряжения происходит из-за побочных реакций на аноде, катоде или в другом месте, помех протеканию основных реакций на аноде и катоде, изменений концентраций электролита или активных веществ, участвующих в реакциях, сопротивления электролита прохождению тока.
Поэтому для получения напряжений, требующихся для практического использования топливных элементов, необходимо соединять последовательно отдельные элементы в батарею.
Кроме экономичности источника тока и величины напряжения на его зажимах, для решения вопроса о его применении существенно знать, какой ток можно от него получить. С этой точки зрения топливные элементы, как и другие химические источники электроэнергии, характеризуются электродной плотностью тока. Величина ее у топливных элементов определяется механизмом и скоростью протекания реакций, а последние пока трудно поддаются предварительному расчету. Поэтому электродную плотность тока в топливных элементах определяют экспериментальным путем. Зная эту величину для определенного типа элементов и зная ток, который требуется получить, нетрудно рассчитать и площадь электродов. Для примера на рис. 9 приведены некоторые зависимости плотности тока и напряжения для нескольких зарубежных типов топливных элементов.
Уровень наших знаний в области топливных элементов позволяет сделать некоторые общие выводы, на основе которых могут быть определены главные требования, предъявляемые к преобразователям энергии такого типа. Следует считать, что приемлемый для практических целей топливный элемент (именно один элемент, а не батарея) должен иметь к. п. д. около 60%, рабочее напряжение на зажимах не ниже 0,6 в и электродную плотность тока не меньше 100 ма/см2 при работе в течение нескольких месяцев.
Чтобы получить такие характеристики, необходимо выполнить два главных требования, которые сводятся к обеспечению, во-первых, высокой электрохимической активности и, во-вторых, стабильности во время работы при минимальном внутреннем сопротивлении топливного элемента.
Требование высокой электрохимической активности, от которой зависит плотность тока, по сути дела состоит из двух частей. Первая относится к обеспечению наиболее выгодных соотношений между вступающими в реакцию веществами и получению при этом определенных конечных продуктов, при которых от топлива можно получить максимальное количество электроэнергии.
Рис. 9. Кривые зависимости падения напряжения от электродной плотности тока для топливных элементов, использующих в качестве топлива водород:
- — окислитель воздух, атмосферное давление, 333° К;
- — окислитель кислород, атмосферное давление, 294° К;
- — окислитель кислород, атмосферное давление, 333° К;
4 — окислитель кислород, давление 5 атм, 333° К
Вторая часть этого требования заключается в обеспечении высокой электрохимической активности вступающих в реакцию веществ, которая определяется скоростью протекания окисления в топливном элементе. Несмотря на то что механизм протекания реакций в топливных элементах еще недостаточно изучен, уже сегодня можно назвать следующие пути, позволяющие повысить электрохимическую активность:
- увеличение поверхности, по которой соприкасаются между собой газ, электролит и электрод;
- применение катализаторов, активизирующих реакции (катализатором может являться основной материал электрода или же катализатор может быть вкраплен в электрод в виде отдельных включений);
- повышение давления горючего (топлива) и окислителя, подводимых к электродам;
- соответствующий подбор горючего и окислителя;
- повышение температуры, при которой происходит реакция.
Особо следует отметить последний из перечисленных путей. Повышение температуры, при которой протекает реакция, позволяет во много раз увеличить ее скорость. При высоких температурах в топливных элементах можно с достаточной скоростью окислять различные дешевые сорта топлива (природный газ, нефтепродукты, некоторые углеводороды и др.), которые в нормальных условиях реагируют очень вяло. С этой целью были разработаны специальные, так называемые высокотемпературные, топливные элементы. Такие элементы позволяют применять более дешевые сорта топлива, чем водород, так как они работают при температурах порядка 500—1200° К. В них уже нельзя применить в качестве электролита водные растворы щелочи, так как вода испаряется. Поэтому электролитом в высокотемпературных топливных элементах служат либо твердые вещества с ионной проводимостью, либо расплавы солей.
Очень трудно добиться, чтобы при работе отдельные конструктивные узлы и детали топливных элементов совершенно не изменялись и не изнашивались со временем. Однако вполне возможно обеспечить какой- то определенный срок службы топливных элементов, необходимый для выполнения различных практических задач. Надо сказать, что требования высокой электрохимической активности и долговечности почти всегда противоречивы. Так, при высоких температурах увеличивается электрохимическая активность, но зато труднее избежать коррозии и других нежелательных процессов. При низкой температуре увеличивается срок службы элементов, но зато вяло идут реакции.
