ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Конструкция ячейки

Способ соединения ТПТЭ может быть проиллюстрирован на примере к струкции ТЭ компании Ballard. Основу элемента составляет мембранно-э. 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 яче*

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.

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.

7.5.5.1. Мембрана

Большая часть используемых мембран относится к протонно-обменному тип; в последнее время были предложены мембраны анионообменного типа, котор^ имеют ряд преимуществ: устойчивость к углекислому газу, упрощенное регули рование водоотвода, возможность использования более дешевых неблагородк металлов в качестве катализаторов.

Мембраны, выполняющие роль электролита, должны обладать высокой ион ной проводимостью, но не должны проводить электроны. Они должны бы непроницаемы для газов и способны выдерживать существенные перепады да ления.

Материалом для многих таких мембран служит тефлоновая основа с функ циональной сульфоновой группой S03 в боковой цепи. Это кислотная гру * неподвижна и не может вытечь.

Чем тоньше мембрана, тем меньше ее сопротивление потоку протонов. Обы но используют мембраны толшиной от 50 до 180 мкм1*. Если мембрана оказь1 ется слишком тонкой, через нее просачиваются газы и КПД ячейки снижаете о чем свидетельствует падение напряжения на ячейке.

Для того чтобы мембрана имела высокую протонную проводимость, не ходимо чтобы концентрация S03 была достаточно высокой. Отношение меж массой сухого полимера (кг) и количеством S03 (кмоль) называется эквивален ным весом (ЭВ). Чем меньше ЭВ. тем выше ионная проводимость. Для мемб] с одинаковой основой, чем короче боковая цепь, тем меньше ЭВ. Наприме мембрана из нафиона с боковой цепью

-О - CF2 - CF3CF - О - CF2 - CF2 - S03H имеет больший ЭВ, чем мембрана Dow с более короткой цепью

-О - CF2 - CF2 - S03H

Действительно, ЭВ нафиона обычно составляет 1100 кг/кмоль, тогда как Э мембран Dow равен примерно 800 кг/кмоль.

Протонная проводимость мембраны зависит также от того, полностью Л мембрана гидратирована (проводимость сухой мембраны значительно уменьш ется), поэтому важно обеспечить правильное управление отводом и подводов воды (см. ниже).

Мембраны могут быть очень дорогими. В 80-х годах стоимость нафиона с ставляла 800 долл/м2. Одной из причин такой высокой стоимости является длительный ресурс — этот материал был разработан в расчете на 100 000 ч ра

|; Толщина листа офисной бумаги равна примерно 100 мкм боты в установках по производству хлора. Ресурс же автомобиля вряд ли превы­шает 300 ООО км пробега, что при средней скорости движения 30 км/ч составит 10 000 ч работы. Таким образом, применительно к топливным элементам для •втомобилей нафион имеет слишком большой запас по рабочему ресурсу, поч­ати на порядок превышающий необходимое значение. Компания Ballard прило - . та усилия, чтобы создать собственный тип мембран, в которых содержалось бы меньше фтора, их стоимость была бы ниже, а эффективность выше, чем в мембранах Dow и мембранах из нафиона. Как ни странно, но рабочий ре­сурс этих мембран превысил 15 000 часов, что более чем достаточно для ав­томобильных ТЭ.

7.5.5.2. Катализаторы

Вследствие низкого уровня рабочих температур в ТПТЭ, скорость протекаю­щих в них реакций неприемлемо мала, если не использовать специальные ката­лизаторы В качестве катализаторов обычно используются дорогостоящие бла­городные металлы, что существенно повышает стоимость ТЭ. Были приложены начительные усилия, чтобы снизить количество используемых катализаторов. В ранних моделях ТЭ использование платинового катализатора в количестве ври мерно 4 мг/см2 добавляло более 500 долл. к стоимости каждого квадратного :тра активной поверхности ТЭ. К счастью, в настоящее время активно исполь - їтся методика, позволяющая уменьшить почти на порядок количество требу­емой платины, а в исследованиях Лос-Аламосской национальной лаборатории чал ось добиться более значительного снижения количества платины. Английская : ирма Johnson and Matthey, которая производит каталитические нейтрализаторы. работавших газов для обычных автомобилей, проводит совместно с компани-

Ballard исследования, направленные на снижение стоимости катализаторов в I '1ТЭ. Один из способов уменьшения количества используемой платины свя - н с тем фактом, что каталитическими свойствами обладает только поверхность материала. При уменьшении размера частиц платины увеличивается удельная поверхность материала, а значит, при одном и том же значении площади ката­литической поверхности потребуется меньшее его количество.

Другой подход заключается в использовании маленьких частиц графита, на ' оверхность которых нанесен тонкий слой платины. Уменьшить количество пла­тины можно также путем ее легирования более дешевым рутением, обладающим * талитическими свойствами и большей устойчивостью в монооксиду углерода. Действительно, одной из проблем при использовании катализаторов является их вствительность к определенным содержащимся в потоке водорода примесям, . ».обенно к монооксиду углерода. Если в ТЭ подается водород, полученный из т іеводородного сырья, например метана или метанола, то в таком водороде не - чбежно будет содержаться некоторое (1-2 %) количество монооксида углерода СО, Для нормальной работы ТЭ необходимо, чтобы концентрация СО была су-

щественно ниже. Снижение концентрации СО ниже 100 промилле может о заться дорогостоящей операцией.

Удалить большую часть примесей из продукта конверсии углеводородов ма но, если пропустить их через палладиевый фильтр. В Лос-Аламосской на ' нальной лаборатории изготовили такой фильтр, представляющий собой тоні танталовую пластину, с обеих сторон которой нанесен слой палладия. Ком нией Idatech была создана система топливоподготовки, которая производит дород высокой степени чистоты благодаря применению палладиевых филь (см. гл. 9). Были рассмотрены и другие типы катализаторов, возможно та использование для этой цели ферментов

При использовании водорода, содержащего небольшое количество мо сида углерода (например, 100 промилле), радикально снижается КПД ни температурных топливных элементов с платиновым катализатором (рис. 7.1 Однако, если добавить в топливо небольшое количество кислорода, кото соединится с молекулами монооксида углерода, КПД ТЭ практически о нется прежним.

С ростом температуры чувствительность платинового катализатора к м оксиду углерода СО снижается. При 80 °С концентрация СО должна быть выше 10 промилле. При 90 °С (уровень температуры, при котором работают фирмы Ballard) допустимы более высокие значения концентрации. Катали ры-сплавы (например, Pt+Ru) менее чувствительны к монооксиду углерода, было показано для ТЭ компании Ballard, в качестве топлива можно испот

гзть продукты конверсии углеводородов- содержащие до 2 % СО, если предва - - [тельно пропустить их над платино-алюминиевым катализатором, а на аноде пользовать катализатор из сплава Pt+Ru.

Существует возможность совсем отказаться от использования дорогостоящих 111ализаторов на основе платины. В анодной реакнии молекула водорода разла­ется на два протона и два электрона (см. формулу (3)), ту же самую реакцию юс>шествляют анаэробные бактерии (см. гл. 11) с помощью ферментов, которые ш»?ываются гидрогеназами. Синтетические гидрогеназы были получены Робертом тГечбре в Университете Небраски г. Линкольн, с использованием соединений г тения и железа. Рутений, стоимость которого существенно ниже стоимости патины, может быть перспективным катализатором для низкотемпературных • 1ПЛИВНЫХ элементов.

При отравлении катализатора в топливном элементе его функции можно вос - I новить, если подать в ТЭ на короткое время чистый водород.

уіонооксид углерода — это не единственных отравляющий катализатор газ, і тгорый необходимо удалять. ТПТЭ имеют высокую чувствительность также к. динениям серы (например, H2S) и аммиаку (NH3).