Как известно, основная доля производимой в мире электроэнергии вырабатывается на теплоэлектростанциях. Принцип в простейшем описании такой: сжигается топливо (твердое, жидкое или газообразное), нагревается вода и превращается в пар, пар и продукты сгорания вращают турбину, турбина крутит электрогенератор, который вырабатывает электрический ток. И сколько лет существует производство электричества, столько же лет вопросу: как напрямую превратить внутреннюю химическую энергию, заключенную в топливе, в электричество? Минуя фазы сжигания, парообразования и т. д., так как на всех этих ступенях теряется часть энергии, из-за чего КПД паровых машин и теплоэлектростанций недостаточно высок. Такое устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электричество называется Топливным элементом (ТЭ). ТЭ является химическим источником тока, причем первичным источником тока. Однако обычно ТЭ относят не к первичным ХИТ, а выделяют в особый класс. В отличие от остальных ХИТ, в ТЭ электроды являются нерасходуемыми (и неизменяемыми при работе), а реагенты хранятся вне элемента и подаются в него в процессе работы.

В качестве примера рассмотрим работу кислородно-водородного ТЭ со щелочным электролитом:

(-) Н2 (металлический электрод) | КОН |О2, (металлический электрод) (+)

Суммарной токообразующей реакцией будет

Н2 + 0.5 О2 → Н2О

Для которой Е = 1.24 В. На аноде будет происходить электрохимическое окисление Н2

Н2 + 2ОН- → 2Н2О+2е

На катоде – электрохимическое восстановление кислорода

0.5О2 + Н2О- +2е→ 2ОН -

Но если мы попытаемся собрать такой, например, топливный элемент

(–) (Ni-сетка) Н2 | электролит | воздух (Ni-сетка) (+)

Он будет показывать некоторое НРЦ, приблизительно 1 Вольт. Но при попытке замкнуть эту электрическую цепь для питания какого-либо электроприбора ничего не получится – ток будет ничтожно мал. Другими словами, скорость электрохимических процессов на электродах данной цепи будет ничтожно мала. Чтобы система работала, необходимы ускорители (катализаторы) электродных процессов.

Первый такой ТЭ предложил Гроув в 1839 г. За прошедшие полтора века в работах по созданию ТЭ участвовали очень многие ученые, в том числе такие великие электрохимики как Освальд, Нернст, Фрумкин... Тем не менее, существенных сдвигов в этом направлении удалось добиться только во второй половине ХХ века. Первые работоспособные образцы появились в 1950 – 1960 годах, и они постепенно совершенствовались в последующие десятилетия. Однако до их широкого внедрения в экономику и жизнь общества дело дойдет только в ХХI веке. Причины – экономические. До тех пор, пока цена произведенной в ТЭ электроэнергии была очень высокой, они не могли конкурировать с традиционными способами ее получения. Высокая цена получалась из-за того, что ТЭ – сложное и дорогое устройство. Для того, чтобы токообразующая реакция на электродах шла с приемлемой скоростью, применяют катализаторы, содержащие драгоценные металлы (Pt, Pd, Au, Ag). По этой же причине большинство разработанных систем рассчитано на работу при повышенной (или просто высокой) температуре. Агрессивная среда, жесткие условия эксплуатации приводят к довольно быстрому выходу ТЭ из строя, поэтому цена энергии получается высокой.

Ниже приведены несколько примеров электрохимических систем, разработанных для топливных элементов.

1) Кислородно-водородный ТЭ. Работает при 100°С. Ресурс – 10000 часов.

Н2, Ni-сетка, | КОН (30% масс.) | Ni-сетка, О2

Pt-Au – катализатор Pt-Pd – катализатор

Рабочее напряжение U = 0.95 В, плотность тока I = 0.1 – 0.3 А/см2, удельная мощность PУд = 500 Вт/л.

2) Кислородно-водородный ТЭ. Работает при 200°С. Ресурс – 50000 часов.

Н2, уголь | Н3РО4 (98% масс.), | уголь, О2

Pt – катализатор Pt – катализатор

Рабочее напряжение U = 0.7 В, плотность тока I = 0.25 А/см2.

3) Топливом являются продукты конверсии угля (СО + Н2), а электролитом – расплавленная эвтектическая смесь карбонатов лития и натрия. Работает при 650°С. Ресурс – 10000 часов.

Н2+СО, LiNiO2 | Li2CO3 + Na2CO3 (расплав), | Ni пористый, воздух (О2 + СО2)

Рабочее напряжение U = 0.7 В, плотность тока I = 0.16 А/см2.

Анодная реакция Н2 + СО32- → Н2О + СО2+2е

СО+СО32-→ 2СО2+2е

Катодная реакция О2 + 2СО2 + 4е→ СО32-

Суммарная реакция Н2 + СО + О2 → Н2О + СО2

4) Борогидридный ТЭ. Топливом является щелочной раствор борогидрида натрия или калия. Работает при комнатной температуре. Ресурс – тысячи часов.

NaBH4, NaOH, H2O, уголь | КОН (30% масс.) | уголь, воздух

Pt– катализатор Pt-Pd – катализатор

Рабочее напряжение U = 0.7 В, плотность тока I = 0.1 А/см2.

Анодная реакция BН4- + 8OH- → BO2- + 6Н2О +8е

Катодная реакция 2О2 + 4Н2О + 8е→ 8OH -

Суммарная реакция BН4- + 2О2 → BO2- + 2Н2О

Топливом (восстановителем) может являться водород Н2, гидриды (борогидрид NaBH4, алюмогидрид NaAlH4), металлы (алюминий, магний), смесь Н2 + СО (генераторный газ, конверсионный газ, водяной газ), спирты (метанол, этанол), углеводороды и даже твердый уголь. Окислитель – воздух, кислород или обогащенный кислородом воздух.

Хотя принципиально схема ТЭ очень проста, электрохимические реакции и процессы массопереноса исключительно сложны. Поэтому многие проблемы еще не решены, несмотря на полуторовековую историю ТЭ. Для специальных целей, особенно в космонавтике, ТЭ применяют с 1970-х годов. В последние годы были разработаны схемы ТЭ с твердым полимерным электролитом, работающие при обычной температуре. Надежность ТЭ повысилась до такой степени, что они могут конкурировать с другими источниками электроэнергии. Предполагается, что в ХХI веке именно ТЭ станут основными автономными ХИТ.