При одном и том же токе можно снизить плот­ность тока и поляризацию, применяя пористые электроды, имеющие высокоразвитую поверхность (до 100 м2/г). В пористом электроде осуществляется контакт газа (реагента), электролита (ионного про­водника) и электронного проводника. Процессы в пористых электродах достаточно сложны.

Для ускорения реакций в пористые электроды вводят катализаторы. К катализаторам ТЭ предъяв­ляются требования высокой активности, длительно­го срока службы и приемлемой стоимости. Выбор катализатора определяется как этими требования­ми, так и видами ТЭ и топлива, рабочей температу­рой и областями применения ТЭ. Наиболее широ­кое использование нашли платина, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материа­лы. Пористые электроды представляют собой слож­ную структуру, в которой протекают электрохими­ческие реакции, подводятся и отводятся ионы и электроны, подводятся реагенты, отводятся про­дукты реакции и тепло. Эти процессы рассматрива­ются в теории пористых электродов (макрокинети­ке электродных процессов), которая позволяет оптимизировать их структуру и толщину [6].

В соответствии с уравнением (6) напряжение ТЭ снижается с увеличением тока. Зависимость напря­жения ТЭ от тока получила название вольт-ампер­ной характеристики. Напряжение большинства ТЭ лежит в пределах 0,8–0,9 В. Реальный КПД топлив­ного элемента ηр ниже теоретического и определя­ется по уравнению

(7)

где ηр – реальное количество электронов на молеку­лу реагента.

Величина ηр ниже η уравнения (5) в связи с не­полным использованием реагентов и их расходом на собственные нужды установок с ТЭ. Как видно, все факторы, увеличивающие напряжение (см. уравнение (6)), повышают КПД.

От напряжения также зависит и мощность Р:

P = U I,

и удельная мощность на единицу массы m и объема V топливного элемента

В процессе работы характеристики ТЭ посте­пенно ухудшаются, что обусловлено дезактивацией и износом катализаторов, коррозией основ элект­родов, изменением структуры электродов и други­ми причинами. Ухудшение характеристик ТЭ огра­ничивает их срок службы. Для увеличения срока службы ТЭ применяют химически стойкие катали­заторы (платиновые металлы и оксиды некоторых металлов) и основы электродов (графит и никель). Срок службы некоторых ТЭ достигает 40 тыс. часов.

3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Для увеличения тока и напряжения ТЭ соединя­ют в батареи. Последние могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся про­дукты реакции и тепло. Устройство, состоящее из батарей ТЭ, систем подвода реагентов, автомати­ки, отвода продуктов реакции и тепла, получило название электрохимического генератора (ЭХГ). В свою очередь, ЭХГ входит в электрохимическую энергоустановку (ЭЭУ), которая, кроме ЭХГ, вклю­чает блок подготовки топлива, преобразователь по­стоянного тока в переменный (инвертор) и блок ис­пользования тепла (рис. 4).

Рис. 4. Схема электрохимической энергоуста­новки

Выбор исходного топлива, используемого в ЭЭУ, определяется в первую очередь его стоимос­тью, доступностью, экологическими характеристи­ками, химической активностью и удельной энерги­ей на единицу массы. Поэтому в качестве исходного топлива применяют природный газ, уголь и некото­рые недорогие синтетические виды топлива, на­пример метанол. Однако с приемлемой скоростью в ТЭ могут окисляться лишь водород и в специальных видах ТЭ – монооксид углерода и метанол. Поэтому природные виды топлива и метанол предваритель­но конвертируются в блоке подготовки топлива в водород и другие газы, например по реакциям

СН4+Н2О ↔ СО + ЗН2, (8)

СО + Н2О ↔ СО2 + Н2, (9)

СН3ОН + Н2О ↔ СО2 + ЗН2, (10)

С + Н2О ↔ СО + Н2 (11)

Продукты конверсии затем подаются в ТЭ. Так как реальный КПД ТЭ (40-65%) ниже 100%, то при их работе выделяется тепло, которое может быть ис­пользовано либо для теплофикации, либо для гене­рации дополнительной электрической энергии с помощью паровых или газовых турбин.

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЭ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

К наиболее разработанным относятся ТЭ с ще­лочным электролитом (раствором КОН). Основные реакции в этих ТЭ были приведены ранее (1) – (3). В качестве материала электродов обычно применяют никель, хорошо устойчивый в щелочных растворах. Для ускорения реакции в электроды вводят плати­ну. Энергоустановки на основе ТЭ с щелочным эле­ктродом мощностью 4, 5 и 30 кВт нашли примене­ние на кораблях "Аполлон" и "Шаттл" [2]. Однако в ТЭ с щелочным электролитом можно использо­вать только чистые водород и кислород, так как из-за наличия СО2 в воздухе и техническом водороде происходит карбонизация щелочи:

2КОН + СО2 ↔ К2СО3 + Н2О

Кроме того, эти установки достаточно дорогие.

Для гражданского применения разработаны ТЭ с фосфорнокислым электролитом (98%-ным рас­твором Н3РО4), в которых на аноде и катоде проте­кают реакции

2Н2 – 4е → 4Н+, (12)

О2 + 4Н+ + 4е → 2Н2О (13)

Элементы работают при температуре 200°С. Ма­териалом электродов, устойчивым при этой темпе­ратуре в агрессивной среде, служит графит, а ката­лизаторами – Pt (0,8 – 1,2 г/кВт) и ее сплавы. В ТЭ с кислотными электролитами окислителем может служить кислород воздуха, так как компоненты воз­духа химически не взаимодействуют с такими элек­тролитами. На базе этих ТЭ в США и Японии созда­ны и испытаны ЭЭУ мощностью от 12 кВт до 11 МВт. Некоторые из них вышли на уровень ком­мерческой реализации. Данные ЭЭУ имеют срок службы несколько тысяч часов, суммарный КПД 75%, в том числе электрический 40–42%. Выбросы вредных компонентов на этих ЭЭУ на 1–2 порядка ниже по сравнению со стандартами на выбросы от тепловых машин.

В последние годы большой интерес проявляется к ТЭ с твердополимерным электролитом (ионооб­менной мембраной), на электродах которых проте­кают реакции (12) и (13). В качестве материалов электродов используется графит, а катализаторов – Pt и ее сплавы. Рабочая температура ТЭ около 100°С. К достоинствам этих ТЭ относятся отсутствие жидкого электролита, высокие удельные мощности на единицу массы и объема. Основное назначение ЭЭУ на основе данных ТЭ – это электромобили. Разработка ЭЭУ на основе ТЭ с твердополимерным электролитом ведется в США, Германии, России, Японии, Канаде и многих других странах. Примене­ние ТЭ позволит создать транспорт, характеризуе­мый бесшумностью и удовлетворяющий экологиче­ским требованиям. Важнейшими проблемами этих ТЭ являются снижение стоимости и увеличение срока службы. В качестве топлива для ЭЭУ на осно­ве ТЭ с твердополимерным электролитом может быть метанол, который предварительно конверти­руется в водород (реакция (10)). В последние годы во многих лабораториях мира ведутся работы по со­зданию ТЭ, в которых происходит прямое электро­окисление метанола: