Высокотемпературные топливные элементы

Высокотемпературные топливные элементы

Электрохимическое окисление топлива не всегда протекает гладко. Такие распространен­ные и дешевые виды топлива, как генератор­ный СО или природный газ СН₄, реагируют на электродах значительно хуже, чем водород.

Даже самые активные катализаторы лишь в незначительной степени ускоряют эти реак­ции. А малая скорость реакции означает ма­лую величину плотности тока и, следовательно, малую мощность.

Возможность для проведения этих реакций с достаточной скоростью дает использование высоких температур, например 500° или даже 1000° Ц. Но тут возникает новая трудность: при высоких температурах вода испаряется мгновенно, водный раствор электролита оказы­вается неподходящим.

Электролитами могут служить либо рас­плавы солей (например, смесь углекислых солей натрия, калия и лития, плавящаяся при тем­пературе чуть ниже 500° Ц), либо твердые электролиты.

Таким твердым электролитом может быть, например, двуокись циркония ZrO₂, содержащая некоторые примеси. При температурах около 800—1000° Ц благодаря подвижности отри­цательных ионов кислорода О^-2 она начинает хорошо проводить электрический ток (катио­ны Zr⁺⁴ не перемещаются и ток не переносят). Наличие такой «кислородной» проводимости влияет на характер электрохимических реак­ций, протекающих на электродах. Если постро­ить элемент описанного выше типа — вместо раствора КОН взять в качестве электролита ZrO₂—и подводить к одному электроду окись углерода, а ко второму кислород, то при тем­пературах около 1000° Ц молекулы кислород­ного электрода станут принимать электроны из внешней цепи, превращаясь в отрицатель­ные ионы:

O₂+4е→2O^-2,

а молекулы СО топливного электрода соеди­няются с ионами О^-2 из твердого электролита, образуя углекислый газ и отдавая электроны во внешнюю цепь:

2СО+2O^-2→2СO₂+4е.

Электрический ток во внешней цепи обус­ловлен переходом электронов от отрицатель­ного (топливного) электрода к положительному (кислородному) электроду; этот ток компен­сируется движением ионов O^-2 в твердом элект­ролите в обратном направлении.

Такие высокотемпературные топливные эле­менты, питаемые генераторным газом и кисло­родом, могут работать при плотностях тока 50— 150 ма/см², выдавая напряжение около 0,5 в на элемент.