Топливные элементы

Какие виды топливных элементов существуют? Почему в них используют драгоценные металлы и как удешевить конструкцию? Объясняет кандидат химических наук Екатерина Герасимова.

Топливные элементы — это электрохимические источники энергии, которые преобразуют энергию химической реакции в электрическую. На реакции водорода с кислородом, в результате которой получается вода, можно объяснить примерный принцип работы топливного элемента. В обычной реакции водорода с кислородом у вас происходит прямое столкновение реагирующих молекул с образованием продуктов реакции. В топливном элементе же эта реакция разделена на две полуреакции, которые разнесены в пространстве. Есть один электрод, на котором окисляется восстановитель, и второй электрод, на котором восстанавливается окислитель. Отличие топливных элементов от первичных и вторичных источников энергии, таких как батарейки или аккумуляторы, в том, что в первичных и вторичных источниках энергии реакция происходит с материалом самого электрода. В топливном элементе реагирующие вещества подаются извне. Топливный элемент работает, пока подаются окислитель и восстановитель. В обычных батарейках и аккумуляторах существует предел, когда электроды полностью расходуются. В аккумуляторах есть возможность заряда — провести обратную реакцию и восстановить материал электрода. Редокс-батареи сходны с топливными элементами тем, что окислитель и восстановитель подаются извне, но они тоже претерпевают изменения и расходуются; соответственно, нужно затратить энергию, чтобы вернуть их в исходное состояние.

Что касается устройства топливных элементов, с батарейками и аккумуляторами их роднит то, что у них есть два электрода, между ними электролит. На одном электроде, который называется «анод», происходит окисление топлива. На втором электроде, который называется «катод», происходит восстановление окислителя. Два электрода разделены между собой либо раствором, либо мембраной таким образом, чтобы окислитель и восстановитель не смешивались между собой. Все это упаковывается в ячейки, позволяющие осуществлять подвод и окислителя, и восстановителя и снимать ток.

Топливные элементы можно по-разному классифицировать — например, по типу электролита. От того, какой проводимостью обладает электролит, будет зависеть, какие окислители и восстановители можно использовать.

Существует пять основных типов топливных элементов. Прежде всего, щелочные, в которых электролитом является щелочь, также расплавные карбонатные топливные элементы, в которых электролит — расплав карбонатов калия, натрия, помещенных в пористую керамическую матрицу. В фосфорнокислых топливных элементах электролитом является раствор кислоты. Два основных типа топливных элементов с твердым электролитом — это топливные элементы с полимерным электролитом и твердооксидные топливные элементы.

Все эти типы топливных элементов различаются по температуре работы. Например, самые высокотемпературные — твердооксидные топливные элементы. В них в качестве электролита используется оксидный материал, который приобретает проводимость по анионам кислорода только при высоких температурах, составляющих от 700 до 1000 °C. Следующим типом топливных элементов, работающих при более низкой температуре, являются расплавные карбонатные топливные элементы, которые работают при температурах 500–600 °C. В высокотемпературных топливных элементах в качестве топлива кроме чистого водорода возможно использовать реформинговый водород, и в структуру таких топливных элементов обычно входит реформер, в котором, допустим, из метана производится водород.

Топливные элементы, работающие при более низкой температуре, 100–200 °C, — это щелочные и фосфорнокислые. В них в качестве электролита используются растворы соответственно кислот и щелочи. Щелочные топливные элементы наиболее дешевы в изготовлении, однако обладают существенным недостатком, потому что щелочь очень чувствительна к присутствию CO2 в газах и в окружающей среде. Образующиеся при этом карбонаты забивают электрод и существенно снижают проводимость электролита. Фосфорнокислые топливные элементы не имеют такой проблемы, то есть к CO2 не чувствительны. Однако, как и щелочные, они имеют жидкий электролит, что также приводит к коррозии топливных элементов и вытеканию электролита.

В топливных элементах, работающих при температурах до 100 °C, возможно использование полимерных электролитов. Это приводит к существенному упрощению топливного элемента и к уменьшению веса конструкции всего топливного элемента. Наиболее изучены топливные элементы с протон-проводящей мембраной. В качестве катализатора в таких топливных элементах используется платина или ее сплав, которые существенно удорожают сам топливный элемент. Однако низкие температуры работы — от 0 до 80 °C — и легкость конструкции позволяют применять такие топливные элементы не только в стационарных источниках энергии, но и в мобильных: автомобилях, летательных аппаратах, зарядных станциях для бытовой техники.

В отличие от высокотемпературных топливных элементов, в топливных элементах, работающих до 100 °C, использование технического водорода вызывает ряд проблем, а именно отравление катализатора. Успешно работающая в качестве катализатора при таких температурах платина довольно сильно отравляется монооксидом углерода (CO), что приводит к существенному снижению эффективности работы таких топливных элементов. К сожалению, до 100 °C поверхность платины очищается самостоятельно очень медленно. На данный момент широко исследуются различные типы катализаторов на основе сплавов платины, нанесенных на оксидные носители, чтобы позволить адсорбированному CO легче уходить с поверхности платины и освобождать ее для протекания основной электрохимической реакции.

На данный момент внедрение топливных элементов в мобильные источники энергии затрудняется тем, что у нас отсутствует инфраструктура, то есть заправка водородом, заправочные станции. Кроме того, нет высококвалифицированных специалистов, которые требуются для обслуживания таких энергоустановок. Не является большой проблемой сделать автомобиль, работающий на топливных элементах, но качественно обслуживать его некому, поэтому на данный момент серийных моделей практически не существует.

В настоящее время перспективными являются низкотемпературные топливные элементы, ведется борьба за минимальное использование драгоценных металлов в качестве катализаторов процессов. Например, многие страны поставили себе цели достичь эффективной работы катализатора при загрузке платины ниже 0,1 миллиграмма на квадратный сантиметр, что является достаточно сложным, потому что количество катализатора на электродах влияет не только на то, с какой эффективностью работает топливный элемент, но и на то, сколько он будет работать. Возможно, уменьшение количества драгоценных металлов скажется существенно на ресурсе работы таких топливных элементов.