Топливные элементы (электрохимические генераторы) представляют собой химические источники тока, которые преобразуют химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями процессы горения топлива.

Главное отличие всех типов ТЭ от аккумуляторов заключается в том, что токообразующие вещества в ТЭ не закладываются заранее при изготовлении электродов, как для обычных источников тока, а подводятся по мере израсходования.

Классифицируя ТЭ в соответствии с диапазоном рабочих температур, выделяют низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные ТЭ. В свою очередь к низкотемпературным ТЭ относятся твердополимерные ТЭ (ТПТЭ), щелочные ТЭ (ЩТЭ), к среднетемпературным – фосфорнокислые (ФКТЭ), и к высокотемпературным ТЭ относят расплавкарбонатные (РКТЭ) и твердооксидные ТЭ (ТОТЭ).

Каждый из этих типов ТЭ обладает как своими преимуществами, так и недостатками. Так, в ЩТЭ не применяются дорогостоящие компоненты, но топливом могут служить только чистый водород и кислород. ФКТЭ предполагает периодическую замену электролита. В РКТЭ, как и в ЩТЭ не предполагается использование дорогостоящей платины, однако время запуска такого ТЭ элемента составляет десятки часов. Высокая рабочая температура ТОТЭ значительно сужает область применения таких ТЭ. ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной присуще такие недостатки, как дороговизна основных компонентов ТПТЭ, высокая чувствительность катализаторов к примесям. Поэтому основное внимание исследователей направлено на снижение содержания дорогостоящей платины в катализаторе, повышение устойчивости катализаторов к каталитическим ядам.

Единичной ячейкой ТПТЭ является мембранно-электродный блок (МЭБ) расположенной между двумя биполярными пластинами. МЭБ включает в себя только один катод и один анод. Каждый из электродов представляет собой каталитический слой, нанесенный на углеродную бумагу или ткань (газодиффузионный слой). В качестве катализатора применяют как правило наноразмерные частицы платины, нанесенные на поверхность углеродного носителя (Pt/C – платино-углеродный катализатор). Оба электрода контактируют с твердым полимерным электролитом, представляющим собой перфторированную ионную мембрану Nafion^Ò, разработанную компанией DuPont в 1960х годах.

Схемы водородно-кислородного ТЭ (а), мембранно-электродного блока (б), каталитического слоя (в)

На аноде ТПТЭ протекает реакция электроокисления водорода  согласно следующего уравнения:

H₂ - 2e^-→ 2H⁺

Необходимо отметить важную роль трехфазной границы в каталитическом слое: платина-углерод-нафион. Отсутствие хотя бы одной из составляющей останавливает процесс окисления водорода.

На катоде протекает процесс восстановления кислорода:

О₂ + 4e^- → 2О^2-

Положительно заряженные протоны проходят через протонпроводящую мембрану к катоду, а электроны доставляются к катоду по внешней цепи, создавая тем самым электрический ток. Образовавшиеся на катоде кислородные ионы объединяются с протонами, образуя воду:

О^2- + 2H⁺ → Н₂О

ЭДС водородно-кислородного ТЭ при стандартных условиях составляет 1,23В. Однако на практике это значение составляет 0,6 – 0,7 В, что вызвано рядом причин: кроссовер водорода, возникновение смешанного потенциала, отравление катализатора, пересыхание каталитического слоя, деградация мембраны. 

Сравнение различных типов топливных элементов

	ТПТЭ	ЩТЭ	ФКТЭ	РКТЭ	ТОТЭ
Электролит	Протонпроводящая полимерная мембрана	Водный раствор КОН	Раствор H3PO4 (фосфорная кислота)в матрице из пористого карбида кремния	Расплав карбоната щелочного металла в пористой матрице	ZrO2 (Y2O3)
Рабочая температура, оС	80	60-220	200	650	500-1000
Катализатор	Pt	Pt –анод, Ni–катод или анод	Pt	Ni, сплав Ni – анод, NiO - катод	Ni-кермет – анод LaMnO3 – катод
Топливо	H2, метанол	H2	H2	H2, метан	H2, метан, СО
Каталитические яды	CO, S	CO, CO2	CO, S	S	S
Электрический КПД, %	40-60	45-60	35-45	45-60	45-55
Мощность, мВт/см2	100-1000	150-400	150-300	100-300	250-350
Диапазон мощностей, кВт	0.001-1000	1-100	50-1000	100-100,000	10-100,000
Преимущества	Низкая рабочая температура, высокая мощность, быстрый запуск и отключение	Низкая стоимость электролита, отсутствует необходимость использования Pt в качестве катода	Низкая стоимость электролита, высокая надежность	Отсутствует необходимость использования Pt	Отсутствует необходимость использования Pt, высокая мощность
Недостатки	Дороговизна основных компонентов, трудность отвода тепла, склонность катализатора к отравлению.	Возможно использование только чистых H2 и О2, электролит может вызывать коррозию, трудность отвода тепла.	Дороговизна и отравляемость катализатора, необходимость замены электролита,	Долгое время запуска, электролит может вызывать коррозию, основные материалы относительно дороги из-за высокой рабочей температуры.	Долгое время запуска, основные материалы относительно дороги из-за высокой рабочей температуры.
Области применения	Портативная электроника, автомобильное электропитание	Дополнительный источник питания в космической промышленности	Стационарное электропитание	Стационарное электропитание	Стационарное электропитание

Суперконденсатор (СК) – это химический источник тока, в котором энергия накапливается с помощью электростатических зарядов на противоположных поверхностях двойного электрического слоя (ДЭС), формируемого между каждым из электродов и ионами электролита. Известно, что электрические заряды осуществляют переход между материалами в твердой фазе гораздо быстрее, чем в химической реакции, вследствие этого цикл заряда-разряда может происходить тысячи раз.

Принцип накопление заряда на обычном и электрохимическом конденсаторах

 

По своим основным параметрам – удельным мощности и энергии, суперконденсаторы занимают промежуточную нишу между обычными конденсаторами и аккумуляторами, приближаясь по энергии к литий-ионным аккумуляторам и превосходя их по мощности.

Суперконденсатор состоит из двух пористых поляризуемых электродов, находящихся в инертном электролите. Материалом электродов обычно являются различные виды углерода. В качестве электролитов используются водные растворы устойчивых ионогенных соединений, таких как NaCl, KOH, H₂SO₄, NaF и др., а также неводные жидкости или твердые полимерные электролиты. Водные электролиты обеспечивают более высокую удельную емкость, чем неводные, однако, они не лишены недостатков, таких как низкое разрядное напряжение, высокая коррозионная активность, в то время как неводные жидкие электролиты имеют высокое напряжение разложения (более 2,3 В) и коррозионную устойчивость. Твердые полимерные электролиты не имеют токов утечки, обладают высокой температурой воспламенения, но они плохо проникают в поры, в связи с чем, электрод работает не на всю глубину.

Все СК подразделяются на 4 класса или поколения, что указывает на последовательность их внедрения:

1-е поколение — СК, имеющие положительные и отрицательные электроды из активированного угля с водными растворами электролитов (КОН, H₂SO₄ и др.);

2-е поколение — СК, имеющие электроды из активированного угля с неводными растворами электролитов (этиленкарбонат, ацетонитрил, ионогены Li⁺ и др.);

3-е поколение — СК, в котором один из электродов выполнен из активированного угля, а второй — фарадеевский электрод с водными растворами электролитов (например, системы: NiOOH/КOH/C, PbO₂/H₂SO₄/С);

4-е поколение — СК, один из электродов которых выполнен из активированного угля, другой — фарадеевский электрод, обратимо работающий в неводных электролитах (интеркаляционный тип: графит, LiMnO₂, полимер, и др.).

Суперконденсаторы получили широкое применение в автомобилестроение (рекуперация торможения, облегченный запуск двигателя, электрическая стабилизация системы) промышленности (подстанции, автопогрузчики, лифты), а также в бытовой электронике. Современные суперконденсаторы должны обладать высоким ресурсом службы – порядка 700 000 циклов, что соответствует от 5 до 20 лет работы в зависимости от степени нагрузки; малой себестоимостью при расчете на один цикл использования как энергии, так и мощности; возможностью работать в критических условиях (высокая амплитуда токов, перепады напряжения, экстремальные температурные условия); экологичностью.