Водородно-кислородные элементы с щелочным электролитом

Данные ТЭ из всех типов топливных элементов являются наиболее распространёнными. Они разработаны в двух вариантах: со свободным (обычно циркулирующим) и матричным электролитами.

Конструкция и характеристики ТЭ могут быть различными, но принцип их устройства один и тот же: два электрода различного состава и конструктивного исполнения погружаются в раствор или расплав электролита. На один из электродов подаётся водород, на другой – кислород. Функцию анода (отрицательного электрода) будет выполнять электрод с меньшим значением электродного потенциала, функцию катода (положительного электрода) – электрод с большим значением электродного потенциала.

Значения потенциалов электродов определяются по значениям электродных потенциалов окислителя и восстановителя, подаваемых на электроды.

В одном варианте ТЭ в качестве электродов используются сетки из спечённого никелевого порошка, армированные активированным углём (или фторопластом) для придания гидрофобных свойств. В других конструкциях электроды представляют собой пористые никелевые пластины, покрытые платиновыми или серебряными катализаторами. Так, в ТЭ некоторых космических кораблей электроды представляют себой двухслойные никелевые пластины, содержащие платину (для абсорбции водорода). Для кислородного электрода в качестве катализатора применяют золото. Электролитом в таком ТЭ является 85%-ый раствор КОН.

Например, в Германии широко используются электроды, в которых гидрофильным запорным слоем служит асбест с нанесённым катализатором – никелем, промотированным титаном. Иногда в качестве катализатора используют серебро.

Водородно-кислородные элементы с кислотным электролитом

Главным преимуществом этих ТЭ по сравнению со щелочными системами является возможность использования атмосферного воздуха и консервирования водорода без дорогостоящей очистки от углекислого газа. Такие ТЭ очень перспективны для больших энергоустановок (10 кВт и выше).

Технические трудности состоят в том, что в кислых электролитах из-за меньшей химической стойкости сложнее выбрать катализатор. Ранее в системах с кислым электролитом единственными катализаторами были металла платинового ряда (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). В последние годы были разработаны «неплатиновые» катализаторы: для водородного электрода – карбид вольфрама, для кислородного – комплексные органические соединения (порфирины). Катализаторы наносятся на какой-либо носитель (обычно угольный). ТЭ с кислотным электролитом работают при повышенной температуре (190 – 200 ^оС). в качестве электролитов применяют высококонцентрированные кислоты. На первых порах использовали серную кислоту, в настоящее время предпочтение отдают ортофосфорной (с концентрацией 85-98 %).

Работы по ТЭ с кислотным электролитом на Западе ведутся в широком диапазоне. Можно выделить два основных направления.

1. Создание энергоустановок мощностью 12,5 кВт, работающих с использованием природного газа, подаваемого по трубопроводам. Установки предназначены для автономного снабжения зданий электрической и тепловой энергией.

2. Создание крупных установок для «большой» энергетики. Планируется создание нескольких электростанций мощностью 26 МВт. В качестве исходного топлива будут использоваться тяжёлые нефтяные фракции или природный газ. Образующийся при их конверсии водород поступит в среднетемпературные ТЭ с фосфорнокислым электролитом. КПД таких установок оценивается в 38 %.