Топливный элемент

Что такое топливный элемент? Как работает топливный элемент? Обзор истории — возникновение и развитие топливных элементов. Современные топливные элементы — типы топливных элементов. Преимущества и недостатки топливных элементов.

В 1839 году в январском номере «Философского журнала» Уильям Роберт Гров (1811-1896) разместил описание побочного эффекта к опыту по разложению воды электрическим током: «Стрелка гальванометра отклоняется, когда его соединяют с двумя платиновыми электродами, погруженными в раствор с разбавленной серной кислотой; один из электродов продувают водородом, а другой — кислородом.» — так был создан первый топливный, водородно-кислородный элемент.

Вспомните опыт, в пробирку наливают раствор соляной кислоты, добавляют кусочек цинка и закрывают пробкой со стеклянной трубкой с тонким концом. Образующийся в ходе химической реакции водород поджигают. Наблюдают горение водорода в кислороде — почти бесцветное, горячее пламя.

2H2 + O2 = 2H2O; ΔH0298 = -483,65 кДж

Атомы водорода окисляются: 2H2 = 4H+ + 4e

Атомы кислорода восстанавливаются: O2 + 4e = 2O2-

В процессе горения водорода в кислороде происходит не упорядоченное движение электронов с образованием химических связей. Атомы кислорода оттягивают к себе электроны от атомов водорода.

Можно ли как-то упорядочить движение электронов в этой химической реакции, и как следствие, получить электрический ток? Оказалось — можно.

В топливном элементе Грова, водород окисляется кислородом, но происходит этот процесс раздельно, через проводник электрического тока. В этом процессе нет пламени, химическая реакция будто растягивается во времени и тепловой эффект почти не проявляется. Вся энергия химической реакции превращается в энергию упорядоченного движения электронов по проводнику — возникает электрический ток.

Работа водородно-кислородного топливного элемента

Как работает топливный элемент?

Водородом и кислородом обдувают металлические электроды, которые соединены проводником электрического тока. При этом электрод, который обдувается водородом, получает от атомов водорода электроны. Атомы водорода превращаются в протоны H+. Далее, по металлическому проводнику, электроны движутся ко второму электроду, который обдувается кислородом. С второго  электрода, электроны передаются на атомы кислорода. Атомы кислорода приобретают отрицательный заряд O2-.

Если в химической реакции горения водорода в кислороде, протоны H+ и ионы O2- объединяются молекулу воды непосредственно

2H+ + O2- = H2O

то в топливном элементе эти частицы разделены и чтобы связывать их, нужен электролит. В качестве электролита используют водный раствор калий гидроксида, содержащий ионы OH и K+.

Таким образом имеем систему составленную из трех фаз:

  1. Металлический электрод (твердая фаза);
  2. Газообразные водород и кислород (газовая фаза);
  3. Электролит (жидкая фаза).

На границе этих трех фаз и происходят электрохимические процессы в топливном элементе.

Схема водородно-кислородного топливного элемента (рассмотрите ее внимательно, чтобы понять, как работает топливный элемент).

На аноде водородно-кислородного топливного элемента окисляется водород, протоны, которые образуются, соединяются с группами OH:

2H2 + 4OH = 4H2O + 4e

На катоде водородно-кислородного топливного элемента, восстанавливается кислород согласно реакции:

O2 + 4e + 2H2O = 4OH

Реакцию окисления в топливном элементе иногда называют холодное горение.

Главное преимущество топливного элемента перед двигателями внутреннего сгорания заключается в том, что энергия химических процессов почти полностью превращается в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания, в самых технологичных моделях ДВС едва дотягивает до 30%. КПД топливного элемента 50-95%.

Топливный элемент можно создать не только на основе водорода и кислорода. Сжигать можно много веществ, превращая энергию химической реакции их окисления в электрическую энергию.

В 1897 году Уильям Жако создал топливный элемент с прямым окислением углерода. Мощность топливного элемента Жако составляла 1,5 кВт. Топливный элемент Жако имел такую ​​конструкцию: железный и угольный стержни (электроды) погружают в электролит — расплавленная щелочь (NaOH) с температурой 400-500*С. Железный катод продувают кислородом воздуха, в результате чего электроны от угольного электрода передвигаются к железному электроду по проводнику. Топливный элемент Жако имел КПД 82%, плотность электрического тока 0,1 Ампер с каждого квадратного сантиметра площади электрода.

Углерод-воздушный топливный элемент Жако был настолько удачным, что в том же 1897 году, Жако опубликовал в журнале «Harper’s Magazine» сенсационную статью. В статье Жако подробно описал проект океанского лайнера с энергетической установкой на топливных элементах. Тогдашние корабли имели паровые турбины, которые работали на сжигании угля (их КПД был около 10%). Жако рассчитал, насколько меньше нужно было бы угля, если использовать топливные элементы его конструкции.

Но топливный элемент Жако имел существенный недостаток. В процессе окисления угольного электрода образуется диоксид углерода, который поглощается щелочным электролитом и быстро его портит. Срок эксплуатации топливного элемента Жако был незначительным.

В течение почти полувека, изобретатели-одиночки пытались создавать эффективные топливные элементы, которые можно было бы использовать в промышленных масштабах. Но их работы не были успешными.

Например, в 1911 году, топливный элемент Жако был усовершенствован, новый топливный элемент Баура-Эренберга, так же был основан на электрохимическом сжигании угля, он имел КПД 90%, но практического применения не нашел.

В 1933 году Баур публикует обзор работ по изучению топливных элементов. И в итоге, Бауэр констатирует невозможность использовать топливные элементы в промышленности и быту.

Поиски в области топливных элементов не прекратились. В 40х годах ХХ ст. Оганес Карапетович Давтян сконструировал устройство для электрохимического сжигания генераторного газа (газ получаемый путем газификации твердого топлива). Устройство представляло собой кожух, в который подавался, с одной стороны — воздух, а с другой — генераторный газ. Струи газов были разделены слоем твердого электролита. С каждого кубометра такого топливного элемента получали до 5 кВт электрической мощности. Этот показатель в 5 раз превышает эффективность современной тепловой электростанции.

Интересны работы Фрэнсиса Бэкона по созданию топливного элемента. В 1939 году, Бэкон (Лондон) создает водородно-кислородный топливный элемент который выдает 13 миллиампер с квадратного сантиметра внешней электродной площади, работает при 100*С и под давлением 200 атмосфер. Этот топливный элемент проработал всего 48 часов.

Бэкон работал 10 лет и к 1950 году создал топливный элемент, работающий при 200*С под давлением 27 атмосфер и на выходе 230 миллиампер на квадратный сантиметр внешней электродной площади. Этот образец топливного элемента мог работать тысячи часов.

Еще через 10 лет, в 1969 году, Фрэнсис Бэкон сконструировал батарею из 40 ячеек топливных элементов, общей мощностью 6 кВт и КПД 80%. Размеры батареи Бэкона 76 х 38 х 30 см. Этой мощности уже хватало, чтобы привести в движение электромобиль. Но масса устройства, вместе с баллонами была слишком высокой, около 300 килограммов.

Были и другие недостатки в топливных элементах 50-70-х годов. Кроме массы конструкции, эффективные топливные элементы работали на очищенном водороде, который стоит слишком дорого. Катализаторы, которые использовали в топливном элементе, на электродах, очень чувствительны к загрязнениям, и быстро портятся.

Следующий этап развития топливных элементов сопровождал аэрокосмическую сферу.

Когда решали вопрос энергетической установки для питания космических аппаратов, провели сравнение. Чтобы удовлетворить потребности в электроэнергии космического аппарата в течение двух недель, необходима мощность 200 кВт-ч электроэнергии (1 кВт-час — это работа устройства мощностью 1 кВт в течение часа, 1 Вт = 1 Дж / секунду энергии, следовательно 1 кВт = 1 кДж / секунду , в течение часа такое устройство потребляет 3600 кДж энергии). Такую мощность удовлетворяет современный серебряно-цинковый аккумулятор массой 1.5 тонны, который занимает объем 0,5 м3, к аккумулятору, чтобы его зарядить, нужны солнечные панели, массой 335 килограмм и объемом 1,12 м3. Общая масса элементов питания космического аппарата 1835 кг и объем 1,62 м3.

Энергоустановка такой же мощности на водородно-кислородных топливных элементах имеет массу 225 кг и занимает объем 0,45 м3. Разница наглядна.

Кроме компактных размеров, водородно-кислородные топливные элементы имеют и другие преимущества. Топливные элементы генерируют электрическую энергию независимо от освещенности (солнечные батареи — только под воздействием света). Топливные элементы могут иметь любую геометрическую форму; они не чувствительны к ударам, вибрациям радиации, выдерживают кратковременные перегрузки до 100% от номинальной мощности. Топливные элементы не имеют вредных выбросов и опасных компонентов (в отличие от серебряно-цинкового аккумулятора), они бесшумны, не создают радиопомех и вредных излучений, работают при температурах близких к 20*С.

В середине 60-х годов. над созданием эффективных топливных элементов (другое название присущее этому периоду электрохимический генератор) работали десятки тысяч ученых по всему миру. Правительства тратили на оплату научно-технической работы по созданию топливных элементов сотни миллионов долларов ежегодно.

В использовании топливных элементов в космической сфере есть недостаток. Топливо нужно доставлять в космос. Несложные расчеты показывают, что для обеспечения мощности 200 кВт*ч в течение двух недель, для космического аппарата, необходимо 100 кг водорода и кислорода. Кроме этого, инженеры-разработчики столкнулись со многими технологическими сложностями использования топливных элементов в космосе — так называемые T, P, g-нули (нулевые температура, давление, гравитация).

Несмотря на технологические сложности, в 1968 году, усовершенствованные топливные элементы Бэкона обеспечивали работу электронных компонентов космических аппаратов «Аполлон» и побывали на Луне. Водородно-кислородные топливные элементы являются источником питьевой воды для космонавтов в процессе космического путешествия.

Эффективность топливных элементов в программе «Аполлон» составляла 40,4 кг/кВт. В процессе подготовки и по результатам космической экспедиции, были обнаружены и устранены существенные технические недостатки топливных элементов Бэкона.

В новом космическом проекте «Orbiter» использовали усовершенствованные топливные элементы, с капиллярными мембранами (мелкоячеистый асбест), и многими другими усовершенствованиями, благодаря которым эффективность топливных элементов в проекте «Orbiter» была 3,63 кг/кВт!

В 80-х годах ХХ в. была достигнута эффективность топливных элементов на уровне 1,80 кг/кВт.

Сила тока топливных элементов

Одной из характеристик топливных элементов является сила тока, которую топливный элемент способен генерировать. Первый топливный элемент Бэкона имел силу тока 13 миллиампер с 1 см2 внешней поверхности электрода.

Сила тока измеряется в амперах. 1 Ампер это скорость движения заряда 1 кулон/секунду. 1 моль электронов имеет заряд 96484,56 кулон (число Фарадея).

Например, чтобы при электролизе раствора нитрата серебра (AgNO3) в течение часа, на электроде восстановилась масса серебра в 4,0247 грамма, необходимо приложить ток силой в 1 Ампер (смотрите законы Фарадея).

Если топливный элемент генерирует силу тока 13 миллиампер, или 0,013 А с 1 см2, то это означает, что за 1 секунду через площадь 1 см2 проходит 0,013 кулон заряда, или 0,013 Кл / 96484,56 Кл * 1 моль = 1,3474e-7 моль электронов. С учетом коэффициентов

Анод: 2H2 + 4OH = 4H2O + 4e

Катод: O2 + 4e + 2H2O = 4OH

получается, что каждую секунду на поверхности электрода площадью 1 см2 происходит на аноде окисление 6,7368e-8 моль водорода H2; на катоде восстановление 3,3684e-8 моль кислорода O2.

Сила тока в 13 миллиампер/см2 с внешней площади электрода слишком низкая, чтобы питать электронное оборудование, приводить в движение электрические двигатели. Поэтому перед исследователями стояла задача повысить силу тока топливного элемента до сотен миллиампер с см2.

Как повысить силу тока топливного элемента?

  • повысить температуру системы, но материалы топливного элемента и при комнатной температур не слишком долговечны;
  • увеличить количество актов электрохимических реакций, путем увеличения концентрации газов, то есть увеличивая давление в системе;
  • увеличить внутреннюю площадь поверхности электрода.

Таблетка активированного угля, которая имеет диаметр 1,10 см и высоту 0,40 см, обладает внешней площадью 3,28 см2, но внутренняя площадь поверхности таблетки активированного угля достигает 4 миллионов см2 (400 м2). Это в 1,2 миллиона раза больше ее внешней площади поверхности.

Исследователи в своих опытах пошли путем увеличения внутренней площади поверхности электродов топливного элемента. Внутреннюю площадь поверхности увеличивали путем создания пористых электродов. Проблема пористых электродов для топливных элементах заключается в том, что электрохимические реакции протекают на границе трех фаз. То есть пористый электрод нужно не просто заполнить электролитом, а еще добавить газ, обеспечить прием и передачу электронов к проводнику, отводить продукты электрохимических реакций (например воду). Решение проблемы было в создании сети пор, каналов различных типов. В материале электрода нужно было создать гидрофобные (не смачиваются водой) и гидрофильные (смачиваются водой) каналы, а также сам материал электрода должен быть электропроводным. Гидрофобные каналы пропускают газы (водород и кислород), но не пропускают воду (электролит), гидрофильные каналы наоборот — заполняются электролитом, но недоступны для газов.

Испытывали различные варианты создания пористых электропроводящих материалов. Например, брали железную сетку и железную пластину с отверстиями, которые образовывали скелет электрода. На эту основу напресовывали активную массу — смесь угля (гидрофильный компонент) и каучука (гидрофобный компонент), для улучшения гидрофобных свойств к сумищу добавляли парафин. Такой электрод не содержал драгоценных металлов и катализаторов, и выдавал достаточно мощный ток, но этот электрод очень быстро разрушался.

Было проведено много экспериментов и исследований, получены достаточно высокие показатели по силе тока с квадратного сантиметра, но недолговечность созданных образцов пористых электродов не позволила использовать технологию топливных элементов в промышленности и быту.

Нужен был инертный, устойчивый к агрессивным средам и высоким температурам гидрофобный материал.

В 70-х годах ХХ в. такой материал был найден — тефлон.

Фторопласт-4, или политетрафлуоретен, или тефлон, -(CF2-CF2)-. Тефлон чрезвычайно устойчив к агрессивным средам, кислоты (даже царская водка), щелочи и окислители на тефлон не действуют. Диапазон рабочих температур тефлона от -250*С до + 250*С. Тефлон не только чрезвычайно гидрофобный материал, он также не смачивается ни жирами, ни большинством органических растворителей.

Именно фторопласт начали использовать при создании пористых электродов для топливных элементов, смешивая порошок тефлона с порошками металлов. Благодаря свойствам фторопласта, топливные элементы получили новый шанс на общее применение в промышленности и быту.

Совершенствования топливных элементов позволило создать демонстрационные прототипы устройств, для работы которых источником энергии были топливные элементы.

Так, в 1965 году, немецкая фирма «Сименс» создала прототип моторной лодки, с топливным элементом мощностью 0,5 кВт. Лодка была рассчитана на 5 человек и двигалась он со скоростью 7 км/ч.

В 60-х годах ХХ в., Американская компания «Юнион карбайд» по заказу «Дженерал моторс» разработала энергосистему для небольшого экспериментального электромобиля под названием «Електрован». Рабочая мощность батареи на водородно-кислородных топливных элементах составляла 32 кВт, максимально возможная мощность 160 кВт. Водород и кислород хранились в сжиженном состоянии в баллонах. При мощности топливных элементов 90 кВт «Електрован» развивал скорость 80 км/ч (максимальная скорость была 114 км/ч). В зависимости от нагрузки «Електрован» мог проехать расстояние от 160 до 240 километров используя 5,5 кг жидкого водорода и 45 кг жидкого кислорода.

В те же годы в США был разработана подводная лодка (исследовательско-поискового типа), на 4 человека, которая могла погружаться на глубину до 6 км. Лодка была оснащена батареей топливных элементов фирмы «Юнион карбайд», мощностью 25-50 кВт, КПД энергетической установки 58%.

Однако, на пути к общему массовому использованию топливных элементов все еще оставалось много проблем.

Альтернативные топливные элементы

Наилучшие результаты по эффективности имеет топливный элемент на чистых водороде и кислороде. Но эти газы (особенно водород) получить и очистить нелегко, что существенно увеличивает их цену. Для массового использования нужно создать эффективные и надежные топливные элементы, которые будут работать на дешевом и доступном топливе (природный газ, спирты, бензин, и другие углеводороды), а в качестве окислителя необходимо использовать кислород воздуха.

Как альтернативу водород-кислородным топливным элементам, в 1964 году в. Гротоне (США) была создана одноместная подводная лодка «Start» (длиной 3 метра и массой 1 тонна), она была оснащена гидразин-кислородным топливным элементом мощностью 0,750 кВт.

N2H4 + O2 = N2 + 2H2O

N2H4 + 4OH = N2 + 2H2O + 4e

Батарея обеспечивала работу лодки в течение 12 часов: движение, погружение на глубину до 90 м, освещение, радиосвязь, средства навигации.

Цена гидразина в 15-20 раз больше цены водорода. Гидразин токсичен. Поэтому его использование в топливных элементах ограничилось лишь демонстрационными образцами.

Аммиак тоже можно использовать в качестве топлива в топливных элементах. Цена аммиака такая же как и водорода, но аммиак уступает водороду по реакционной способности. Низкую реакционную способность имеет, метанол и другие спирты.

В 1962 году американский электрохимик Нидра обнаружил, что при 25*С на электродах изготовленных из мелкодисперсной платины идет электрохимическое окисление этана. Электрохимический процесс давал лишь 5 миллиампер на сантиметр квадратный поверхности электрода. Дальнейшие опыты с углеводородами показали, что в топливных элементах можно сжигать все газообразные углеводороды, полностью, до углекислого газа и воды. Но реализовать сожжение газообразных углеводородов в промышленных масштабах не получилось. Основной проблемой при использовании топливных элементов в промышленных масштабах на газообразных углеводородах было использование платиновых катализаторов в электродах. Поэтому исследователи работали над поиском новых эффективных катализаторов, которые бы не содержали платины, или снижали ее использование.

Многочисленные эксперименты по поиску новых электро каталитических материалов иногда давали обнадеживающие результаты.

В 1965 году были открыты неизвестные ранее электрокаталитические эффекты. Например, окисление метанола на платино-рутениевом электроде происходило в тысячи раз быстрее, чем на платиновом электроде.

В ходе экспериментов обнаружили, что карбид вольфрама прекрасно адсорбирует водород, он инертен по отношению к кислотам.

Немецкий физико-химик Э. Юсти заменил платиновый электрод в водородно-кислородном топливном элементе на скелетный катализатор (сплав металла-катализатора с алюминием с последующим растворением алюминия в щелочи; в результате образуется каталитически активная пористая металлическая масса).

В процессе поисков эффективных катализаторов для использования в топливных элементах, внимание электрохимиков привлекли органические соединения природного происхождения порфирины:

Порфирины образуют с металлами хелатные соединения и приобретают каталитические свойства. Искусственно была получена структура похожая на природные порфирины — фталоцианин

Фталоцианин более устойчив к температурам и свету, более инертен к кислотам и щелочам, чем природные порфирины. Сегодня лаборатории разных стран активно исследуют эти соединения.

Также, внимание исследователей привлекли природные катализаторы — ферменты — оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции в биологических системах. 

Ферменты по строению и составу — это белки. В молекулах ферментов простых белков присутствует своеобразній «карман» полипептидной цепи, в которой и происходят каталитические превращения субстрата.

Большинство ферментов — сложные белки (протеиды). В сложных ферментах белковый компонент называют апофермент, небелковый — кофактор. Кофакторы делят на коферменты, активаторы и простетические группы.

Небелковая часть сложного фермента может быть связана с белковой (апоферментом) не эквивалентной химической связью (водородная связь, гидрофильное или гидрофобное взаимодействие). В этом случае небелковую часть фермента называют кофермент. Коферменты способны легко отщепляться от белковой части фермента.

Простетические группы связаны с белковой частью сложного фермента ковалентной связью, которую трудно разорвать.

Активаторы это такие кофакторы ферментов, которые переводят его в активное состояние, а сами при этом не участвуют в каталитической реакции, к ним относятся многие неорганические ионы, например ионы металлов. Во многих сложных ферментах, активным центром являются металлопорфирины.

Так, в 80-х годах провели успешный эксперимент с использованием фермента лактаза. Фермент лактаза, иммобилизованный (искусственно привязан к субстрату) на электроде из сажи, восстанавливал кислород. Сила тока, который получили исследователи была небольшая, но система проработала 50 часов.

Многочисленные эксперименты и исследования привели к созданию нескольких типов топливных элементов.

Типы топливных элементов

Топливный элемент с мембраной обмена протонов.

Топливный элемент с протонообменной мембраной использует полимерный электролит. Этот тип топливного элемента является одной из наиболее развитых и часто используемых систем топливных элементов; области его применения распространяются на транспорт, портативные источники питания и устройства обеспечения резервного питания. Топливный элемент с мембраной обмена протонов имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокую эффективность по отношению к массе. Еще одним преимуществом является возможность быстрого запуска топливного элемента в работу. Топливный элемент работает при температуре в 80*С, его КПД составляет 50%.

К недостаткам систем с протонообменной мембраной можно отнести высокие производственные затраты и сложную систему управления работой топливного элемента. Ядро топливного элемента не может быть запущено простой продувкой водорода и кислорода, необходимо наличие определенного, стартового количества воды в нем. Топливо для элемента, водород, должно быть чрезвычайно чистым, иначе протонообменная мембрана быстро портится. Настройка и обслуживание систем таких топливных элементов крайне сложны; например, батарея на 150 вольт насчитывает 250 отдельных элементов, которые необходимо правильно настроить.

Топливный элемент чувствителен к низким температурам, ведь это может привести к образованию льда. Это заставляет добавлять в конструкцию нагревательные элементы. Запуск в холодную погоду может длиться дольше, а производительность заметно ниже. Чрезмерное теплообразование может привести к повреждению топливной ячейки. Системы контроля температуры и подачи кислорода потребляют около 30% электроэнергии, которую генерирует топливный элемент.

При установке в транспортное средство, топливный элемент с протонообменной мембраной имеет расчетный срок службы 2000-4000 часов. Вследствие неравномерной нагрузки происходит излишнее увлажнение или, наоборот, высыхание топливной ячейки, это способствует износу мембраны. При установке в устройство с непрерывным циклом работы, топливный элемент способен нормально функционировать в течение 40 000 часов. Снижение функциональности происходит плавно, что делает его похожим на электрохимическую батарею. Замена ядра (стека) топливного элемента является основной затратной частью обслуживания.

Щелочной топливный элемент.

Щелочные топливные элементы получили наибольшее применение в космической отрасли (в том числе, для космических кораблей многоразового использования). Стоимость производства и обслуживания, особенно для ядра топливного элемента, является сравнительно доступной. Например, сепаратор для топливного элемента с протонообменной мембраной стоит от $800 до $1100 за квадратный метр, а для щелочного топливного элемента его стоимость даже не берется в расчет (она составляет $5). Коэффициент полезного действия такого топливного элемента находится в районе 60%. Но у него есть и недостатки, например, его физические размеры конструктивно больше, чем в версии с протонообменной мембраной, также ему необходим крайне чистый водород и кислород. Использование кислорода из окружающей среды, в составе которого есть углекислый газ, может вывести такой элемент из строя. Данные недостатки ограничивают применение щелочных топливных элементов.

Твердооксидный топливный элемент.

Твердооксидный топливный элемент является наименее распространенным, но в последнее время из-за прорыва в исследованиях материалов и оборудовании ядра элемента, на эту технологию обратили внимание. Благодаря новому поколению керамических материалов удалось снизить рабочую температуру с 800-1000*С до 500-600*С.

Высокая температура позволяет осуществлять окисление природного газа с помощью процесса каталитического риформинга. Именно способность потреблять углеводородное топливо без необходимости предварительного риформинга обеспечивает высокую эффективность и создает значительные преимущества для этого типа топливных элементов. Побочным продуктом работы твердооксидных топливных элементов является теплообразование, которое можно использовать для генерации электричества с помощью турбин, КПД твердооксидных топливных элементов может достигать 90%, что является самым высоким показателем среди всех видов топливных элементов. Среди недостатков — необходимость использования термостойких и дорогих материалов для ядра топливного элемента, которые имеют ограниченный срок службы.

Топливный элемент с прямым окислением метанола.

Портативные топливные элементы крайне интересны для разработчиков, и наиболее перспективная технология для их создания — это прямое окисление метанола. Топливные элементы с прямым окислением метанола имеют небольшой размер, недорогие в изготовлении, удобны в использовании и не требуют сжатого газообразного водорода. Топливные элементы прямого окисления метанола имеют хорошие электрохимические характеристики, их заправка производится путем впрыскивания жидкости или замены картриджа, что позволяет продолжать работу без простоев.

В общем, современным топливным элементам присущи такие ограничения как медленный запуск, низкая выходная мощность, медленная реакция на потребность в электроэнергии, плохие характеристики нагрузок, низкий диапазон мощности, короткий срок службы и высокая стоимость. Подобно электрическим батареям, производительность всех топливных элементов снижается с их возрастом, это происходит из-за постепенной деградации компонентов ядра (стека) топливного элемента.

Топливным элементам мощностью менее 1 кВт, как правило, не требуется давление при работе, и подача кислорода происходит только с помощью вентилятора; системы питания с мощностью свыше 1 кВт герметичны и оборудованы компрессором, который снижает общую эффективность. Относительно высокое внутреннее сопротивление представляет собой еще одну проблему. Каждая топливная ячейка стека производит около 1 В, подключение большой нагрузки приводит к заметному падению напряжения. Подобно электрической батарее, мощность топливного элемента уменьшается с возрастом. Отдельные ячейки могут выходить из строя и вызвать сбои в работе, что приводит к неправильному функционированию всей системы или загрязнению окружающей среды.

Исследования в области топливных элементов продолжаются и сегодня. В научных новостях можно встретить статьи о результатах исследований и экспериментов, которые так или иначе касаются топливных элементов.

Уже созданы серийные электрические автомобили на водородно-кислородных топливных элементах. Компании Honda, Toyota, BMW, Mercedes-Benz создали прототипы будущих серийных автомобилей на водородно-кислородных топливных элементах. Другие гиганты машиностроения проявляют активный интерес к технологии топливных элементов. Созданы зарядные устройства на топливных элементах, для мобильных гаджетов, работающих на окислении метанола.

Стремление получить выгоду и интерес к делу, подталкивает исследования в сфере топливных элементов. Исследователи погрузились в высокотехнологичные исследования, но все гениальное — просто, поэтому, возможно, решение проблем топливных элементов на поверхности перед глазами, достаточно лишь взглянуть свежим взглядом …

Если у вас возникли мысли, вопросы, и вы хотите общаться на тему топливных элементов — регистрируйтесь на форуме химиков, и присоединяйтесь к дискуссии.