Сама по себе конструкция топливного элемента очень проста, так как он состоит из малого числа частей. Наиболее важные из них – это электролит и электроды. Кроме того, требуются  пластины с системой каналов для однородного распределения реагентов по площади элемента. Приведенный ниже рисунок демонстрирует компоненты топливного элемента  (для PEMFC).

Общее описание всех компонентов топливного элемента и их свойств приведены ниже.

• Электролит – У электролита в топливном элементе три главных функции: проводить ионы, действовать как электрический изолятор и физически разделять реагенты анода и катода. Ионы должны проходить через мембрану, чтобы поддерживать зарядовое равновесие между анодом и катодом. Заряженные частицы и направление их движения меняется в зависимости от типа топливного элемента (смотри  «Типы Топливных Элементов»). Как это описано в главе «Принципы работы топливных элементов», основная концепция топливного элемента заключается  в разделении реагентов, и электрохимические реакции на катоде и аноде  происходят независимо одна от другой. Любой ток электронов или реагентов через электролит  будет снижать эффективность элемента, поэтому эти параметры оказывают очень большое влияние на работу топливного элемента.

• Электроды -  Электрохимические реакции происходят на поверхности электродов. Топливо окисляется на аноде, и кислород восстанавливается на катоде. Комбинация мембраны и электродов называется мембрано-электродной сборкой (MEA). Для низкотемпературных топливных элементов требуются благородные металлы для увеличения скорости реакций. Чистая платина и иногда платина в комбинации с другими металлами наиболее широко  используются как катализаторы. При высоких температурах (MCFC и SOFC) нет необходимости в ускорении реакций, и поэтому более дешевые металлы/материалы могут быть использованы.

• Газо-диффузионные слои (GDL) – GDLs используются только в низкотемпературных топливных элементах. Они ответственны за распределение реагентов и удаление продуктов реакций с поверхности электродов. Очень важной проблемой, например, является удаление воды с поверхности катода в PEMFC. GDL оптимизируются путем изменения их гидрофобных свойств. Так как они располагаются между электродами и пластинами с системой каналов (токовые коллекторы), они также должны быть электрически проводящими.

• Пластины с системой каналов/биполярные пластины -  Пластины с системой каналов обеспечивают распределение топлива и окислителя (воздух) по всей поверхности рабочей части топливного элемента. Различные структуры каналов, такие как  серпантин, параллельная структура и другие формируются в пластинах, где реализуются потоки водорода и воздуха. Выбор материала в этом случае диктуется типом топливного элемента. Примеры таких материалов варьируются от графита, нержавеющей стали и пластика для низкотемпературных топливных элементов и керамики – для высокотемпературных топливных элементов. Пластины с системой каналов действуют также как коллекторы тока.

Ниже приведен пример единичного топливного элемента со структурой каналов в виде серпантина. Мембрана-электролит, электроды и диффузионные слои расположены между графитовыми пластинами. 

Для того чтобы создать систему топливных элементов большой мощности несколько единичных топливных элементов объединяются в так называемую сборку (батарею). В этом случае графитовые пластины имеют структуру каналов на обеих сторонах и называются биполярные пластины.  Рисунок, иллюстрирующий принцип сборки, показан ниже. Существует столько конструкторских решений сборок, сколько есть типов топливных элементов и областей их применений. Были разработаны различные  структуры каналов, биполярные пластины и завершенные сборки в зависимости от конструкторских параметров (выходная мощность, тепловыделение, размер и геометрия). Интересным примером является трубчатый твердо-окисный топливный элемент (SOFC) фирмы Siemens Westinghouse (смотри раздел «Типы топливных элементов/ SOFC».

Завершенная система топливных элементов состоит не только из самой сборки единичных элементов. Топливный бак, насосы, вентиляторы и средства контроля составляют также необходимые для работы топливного элемента компоненты. Стационарные мощные электростанции представляют наиболее сложные системы, однако, и маленькие топливные элементы также оказываются достаточно сложными для создания системами. Ниже приведен рисунок прямометанольного топливного элемента для питания мобильных телефонов фирмы Motorola.

В отличие от электрических батареек топливо в топливном элементе хранится отдельно от энергетического преобразователя. Размер емкости хранения топлива ограничивает время работы топливного элемента. Водород может храниться в баках под давлением, в металлических гидридах, в жидком виде или в химических соединениях. Тяжелые углеводороды могут также храниться,  направляться непосредственно в топливный элемент или в реактор для риформинга в зависимости от типа  топливного элемента и области его применения. Источником кислорода в большинстве случаев является воздух. Насосы и вентиляторы обеспечивают топливный элемент топливом из бака и воздухом из окружающей атмосферы.

Для некоторых топливных элементов для обеспечения ионной проводимости и общей производительности  очень важным параметром является содержание влаги в электролите. С этой целью используется увлажнитель, доставляющий воду в газы и поддерживающий определенную влажность в мембране. Хотя теоретические потери в топливном элементе малы, тем не менее, значительное количество тепла производится в топливном элементе за время работы. Если суммарный КПД системы равен 50%, то это означает, что тепла в системе производится столько же, сколько и электричества. По этой причине требуется иметь систему охлаждения водяного или воздушного, чтобы избежать перегрева топливного элемента.

Выше упомянутые компоненты должны управляться контрольными приборами, которые обеспечивают стабильную работу и надежное получение высокой выходной мощности всей системы топливного элемента.

К началу

Copyright © 2004-2006 Fuel Cell Norway ANS