Щелочной топливный элемент

Схема водородно-кислородного топливного элемента. 1:Водород 2:Поток электронов 3:Нагрузка 4:Кислород 5:Катод 6:Электролит 7:Анод 8:Вода 9:Гидроксид-ионы

Щелочной топливный элемент — (англ. alkaline fuel cell, AFC), наиболее изученная технология топливных элементов, эти элементы летали с человеком на Луну.

НАСА использует щелочные топливные элементы с середины 60-х годов, в серии аппаратов Аполлон и Спейс Шаттл. Щелочные топливные элементы потребляют водород и чистый кислород, и производят воду, тепло, и электричество. Они являются самыми эффективными из топливных элементов, коэффициент полезного действия их доходит до 70 %

Химия

Топливный элемент вырабатывает энергию посредством окислительно-восстановительной реакции между водородом и кислородом. На аноде водород окисляется в соответствии с реакцией:

[math]\displaystyle{ \mathrm{2H}_2 + \mathrm{4OH}^- \longrightarrow \mathrm{4H}_2\mathrm{O} + \mathrm{4e}^- }[/math]

с образованием воды и высвобождения электронов. При этом электроны текут через внешнюю цепь и возвращаются к катоду, кислород расходуется в реакции:

[math]\displaystyle{ \mathrm{O}_2 + \mathrm{2H}_2\mathrm{O} + \mathrm{4e}^- \longrightarrow \mathrm{4OH}^- }[/math]

и производит гидроксид ионов. Полный цикл реакции потребляет одну молекулу кислорода и две молекулы водорода, производя две молекулы воды. Электроэнергия и тепловая энергия образуются как побочные продукты этой реакции.

Электролит

Эти два электрода разделены пористой матрицей, насыщенной водным раствором щелочи, обычно гидроксидом калия (KOH). Водные щелочные растворы поглощают углекислый газ (CO₂), таким образом, топливный элемент может стать «отравленным» путём преобразования KOH в карбонат калия (K₂CO₃ ). Из-за этого щелочные топливные элементы, как правило, работают на чистом кислороде, или, по крайней мере, на очищенном от двуокиси углерода воздухе, и должны включать в конструкцию «скруббер» для удаления максимально возможного количества двуокиси углерода. Так как требования к производству и хранения кислорода делают чистый кислород дорогим, есть несколько компаний, занимающихся активным продвижением технологии. Существует, однако, некоторые дебаты в научном сообществе по поводу того, является ли отравление постоянным или обратимым. Основные механизмы отравления блокируют поры в катоде с K₂CO₃, которая не является обратимым, и уменьшение ионной проводимости электролита, который может быть обратимым, возвращая KOH к своей первоначальной концентрации. Альтернативный способ включает в себя простую замену KOH, который возвращает топливную ячейку в исходное состояние. 

Когда углекислый газ реагирует с электролитом, образуются карбонаты. Карбонаты могут осаждаются на порах электродов, которые в конечном итоге блокируют их. Было обнаружено, что работа AFC при более высокой температуре не показывает снижение производительности, в то время как на уровне около комнатной температуры, было замечено значительное падение производительности. Карбонатное отравление при температуре окружающей среды, как полагают, является результатом низкой растворимости K₂CO₃ при комнатной температуре, что приводит к осаждению K₂CO₃, который блокирует поры электрода. Кроме того, эти осадители постепенно уменьшают гидрофобность электрода опорного защитного слоя, ведущий к структурной деградации и забиванию электрода.

С другой стороны, несущие заряд ионы гидроксила в электролите могут вступать в реакцию с диоксидом углерода из продуктов окисления органического топлива (т.е. метанола, муравьиной кислоты) или воздуха с образованием карбонатных соединений.

Образование карбонатов истощает гидроксильные ионы из электролита, уменьшает проводимость электролита и, следовательно, производительность топливных ячеек. Также может уменьшать производительность изменение объёма электролита, давление водяного пара в ячейке, и другие факторы.

Основные конструкции

Из-за этого эффекта отравления, используют два основных варианта AFC: со статическим и проточным электролитом. Статические или иммобилизованные ячейки, электролитного типа, устанавливаемые в космическом корабле Apollo и Space Shuttle, обычно используют асбестовый сепаратор, насыщенный в гидроксиде калия. Производство воды контролируется путём испарения с анода, как показано на рисунке выше, который производит чистую воду, которая может быть освобождена для других целей. Эти топливные элементы используют платиновые катализаторы для достижения максимальных показателей объемной и массовой эффективности.

Проточные конструкции ячеек используют более открытую матрицу, которая позволяет электролиту течь либо между электродами (параллельно) или через электроды в поперечном направлении (типа ASK или EloFlux топливного элемента). В параллельно-проточных конструкциях смены электролита, полученная вода удерживается в электролите, и старый электролит может быть заменен на свежий, по методике, похожей на замену масла в автомобиле. Между электродами требуется дополнительное место для прохождения потока, это приводит к увеличению внутреннего сопротивления ячеек, уменьшению выходной мощности по сравнению с иммобилизованными конструкциями. Еще одна технологическая проблема заключается в постоянном блокировании катода с помощью K₂CO₃; некоторые опубликованные отчёты показали тысячи часов работы в воздухе(?). В этих конструкциях использовали как платину, так и металлические катализаторы из неблагородных металлов, что приводит к повышению эффективности и увеличению стоимости.

Конструкция EloFlux, с поперечным потоком электролита, имеет преимущество с низким уровнем затрат на сменный электролит, но до сих пор только была продемонстрирована с использованием кислорода.

Электроды состоят из структуры двойного слоя: активный электрокатализаторной слой и гидрофобный слой. Активный слой состоит из органической смеси, которая является основанием, а затем прокатывают при комнатной температуре с образованием сшитого самонесущего листа. Гидрофобная структура предотвращает утечки электролита в реагентные каналы газовых потоков и обеспечивает диффузию газов к месту реакции. Эти два слоя затем прижимают проводящую металлическую сетку, и спекание завершает процесс.

Дальнейшие вариации щелочного топливного элемента включают  металл-гидридный топливный элемент и прямой бор-гидридный топливный элемент .

Коммерческие перспективы

AFC являются самыми дешевыми из топливных элементов в производстве. Катализаторы, необходимые для электродов, изготавливаются из химических веществ, которые недороги по сравнению с тем, которые требуются для других типов топливных элементов.

Коммерческие перспективы лежат в основном AFC с недавно разработанной версии этой технологии с биполярной пластиной, значительно превосходящей по производительности более ранние версии моно-плит.

Первый в мире корабль на топливных элементах HYDRA использует систему AFC с 5 кВт выходом электроэнергии.

Другим недавним событием является появление твердотельного щелочного топливным элементом, с использованием анионообменных щелочных мембран вместо жидкости. Это решает проблему отравления и позволяет развивать щелочные топливные элементы, способные работать на более безопасных богатых водородом носителях, таких как жидкие растворы мочевины или металло-аминовые комплексы.

Внешние ссылки

• ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732