Данный тип топливных элементов является наиболее простым по принципу действия, а также, возможно, и в изготовлении. Как следует из названия, элек­тролитом в данном типе топливных элементах является твердая мембрана, вы-

полненная из ионопроводящего полимерного материала. Ионы могу быть положительными (катионы), как правило, протонами, так и отрицатели (анионы), обычно ионы ОН~.

J3

н

о

о

Ж

Твердополимерные топливные элементы более безопасны, чем ТЭ с жид или расплавленными электролитами, так как в ТПТЭ используются электрс ты, не вызывающие коррозию. Эти элементы способны выдерживать боль перепады давления между топливной и окислительной частью, что упроД управление потоками газов.

Краткую историю развития ТПТЭ можно найти в статье Дэвида Уоткин.

Впервые ТПТЭ был создан компанией General Electric в 1959 г.. В 19x2 технология их производства была передана компании United Technology С ration/Hamilton Standart. Развитие продолжалось чрезвычайно медленно до пор, пока исследования не были активизированы и доведены до стадии произвол компанией Ballard Power Systems1* совместно с Daimler Benz. До того, как за взялась компания Ballard, появление на рынке автомобилей на топливных ментах прогнозировалось не ранее 2020 г. Теперь же ожидается, что а втом о' на топливных элементах для общего пользования появятся уже к 2010 г.!

Существенный прогресс в области топливных элементов может быть п люстрирован такой характеристикой, как плотность энергии, которая вы

11 С историей компании Ballard можно ознакомиться в книге Тома Коппела.

с момента появления первого топливного элемента в 1959 г. в 160 раз: плотность мощности первого ТЭ составляла 50 Вт/м2, а 1982 г. был создан ТЭ с плотно - сью мощности 8 кВт/м2.

Такой быстрый рост стал следствием большого количества усовершенствова­нии, таких как использование более эффективных мембран (в ранних моделях ТЭ использовался сульфированный полистирол, в более поздних — сульфиро­ванный тетрафторэтилен (нафион)), уменьшение толщины мембраны (от 250 до 123 мкм), работа при более высоких температурах (от 25 до 150 °С), применение тализаторов с улучшенными характеристиками.

Рис. 7.16. Начиная с 1986 г. плотность вырабатываемой мощности в ТЭ компании Ballard росла экспоненциально. В настоящее время в батарее ТЭ объемом 1 м3 может быть получено свыше 2 МВт мощности (2 кВт/л)

Вскоре после появления ТПТЭ их стали рассматривать как предпочтитель­ное решение для использования на транспорте, а также как конкурента стаци­онарным электростанциям. Чрезвычайно быстрое развитие этого типа ТЭ — верный признак молодой и незрелой технологии — подтверждается экспо­ненциальным ростом плотности мощности в ТЭ компании Ballard (рис. 7.16). Плотность мощности в ТЭ этой компании превышает 20 кВт на 1м2 активной поверхности (в лучших моделях ТЭ компании General Elactric 8 кВт/м2). От­ношение мощности к массе элемента (гравиметрическая плотность мощности) также существенно увеличено — оно превышает 0,7 кВт/кг, приближаясь к значениям, характерным для современных авиационных двигателей1'. Таким образом, весовые и объемные характеристики современных ТПТЭ позволяют

Справедливости ради надо сказать, что вес авиационного двигателя надо сравнивать с сум­марной массой батареи топливных элементов и электродвигателя.

использовать эти устройства на транспорте. Единственная характерне которую необходимо существенно улучшить, это удельные капиталовлоя т. е. отношение стоимости установки к ее мощности.

Добиться снижения стоимости можно многими способами. Самый оч ный из них создание достаточно широкого рынка, который позволит н массовое производство. Необходимо использовать более дешевые мембр. і катализаторы. Специалисты компании Daimler прогнозируют, что на этапе вития технологии удельные капиталовложения для батареи ТЭ будут сосі от 20 до 30 долл, за 1 кВт мощности батареи.

Электролит / Катод

юрод Кислород ► — —ч

Моноэтаноламин

Рис. 7.17. Структура ТПТЭ

7.5.5.1. Конструкция ячейки

Способ соединения ТПТЭ может быть проиллюстрирован на примере к

тродный блок (МЭБ) — трехслойная структура, состоящая из двух тонких ристых электродов (обычно покрытых карбоном), разделенных ионообме мембраной, выполняющей функцию электролита.

В месте контакта электродов с электролитом используется небольшое личество катализатора. Слои связываются вместе посредством нагрева сб «сэндвича» под давлением до тех пор, пока электролит не становится мя Толщина МЭБ обычно меньше 1 мм.

Контакт с электродами осуществляется через газопроточные пластинь ' таллические или, как правило, графитовые), на поверхности которых име канавки. Поток топлива и окислителя движется по этим канавкам и та образом равномерно распределяется по всей активной поверхности ячег

Пример сложной структуры канавок на газопроточной пластине приведен на рис. 7.18.

В углах газопроточных пластин имеется ряд отверстий, которые выполня­ют роль коллекторов. Все пластины, за исключением двух концевых, являются биполярными — одна поверхность пластины соединяется с анодом, другая — с катодом. На рис. 7.18 показана катодная поверхность пластины, на которую подается окислитель и с которой отводятся обедненный кислородом окислитель и вода. Водород на анодную сторону газопроточной пластины подается через отверстия меньших размеров. Это связано с тем, что воздух подается в большем количестве, чем требуется по стехиометрическому соотношению. Избыточное количество воздуха используется для охлаждения ТЭ и для отвода образующей­ся воды.

Л

для распределения топлива и окислителя по поверхности электродов. На показанной катодной поверхности пластины окислитель поступает и отво­дится через большие отверстия треугольной формы, выполненные в верхнем правом и нижнем левом углах пластины. Остальные отверстия используются для подачи водорода и воды

Эффективность ячейки существенным образом зависит от структуры канавок, ыполненных на пластине. Система канавок должна способствовать движению в эды, «затопляющей» участки элемента, а также равномерному распределению

реагентов. При биполярной схеме включения все элементы в батарее соедине­ны последовательно.