Топливные элементы (ТЭ) представляют собой устройства для преобразования химической энергии топлива в электрическую. В основе их работы лежит электрохимическая реакция, происходящая между топливом и окислителем. Ключевым элементом любой топливной ячейки является материал, который должен удовлетворять строгим требованиям по эффективности, долговечности, устойчивости к внешним воздействиям и стоимости.
В данном контексте, материалы для топливных элементов разделяются на несколько категорий, в зависимости от типа используемой технологии и условий эксплуатации.
Существует несколько типов топливных элементов, наиболее популярными из которых являются:
Каждому из этих типов соответствуют свои особенности в выборе материалов, используемых для анодов, катодов, электролитов и других компонентов ячейки.
Аноды и катоды в топливных элементах играют решающую роль в процессе электрохимической реакции. Эти материалы должны быть проводниками, стойкими к воздействию высоких температур и химических агентов, а также обеспечивать минимальные потери энергии.
Аноды обычно изготавливаются из катализаторов, таких как платина, палладий или их сплавы. Платина является наиболее распространенным катализатором, поскольку она обладает высокой активностью и устойчивостью к коррозии. Однако её высокая стоимость ограничивает использование в массовом производстве, что делает разработку альтернативных катализаторов, таких как платиновые сплавы с переходными металлами (например, рутений, иридий), особенно важной задачей.
Катоды в большинстве топливных элементов выполняются из того же материала, что и аноды, однако они часто могут быть менее активными, чем аноды. На катодах происходит восстановление кислорода, а на анодах — окисление водорода. Катализаторы, используемые для катодов, также часто включают платину, хотя из-за низкой стоимости и устойчивости к загрязнениям ведутся работы по использованию других материалов, таких как углеродные наноматериалы, оксиды металлов.
Электролит является важнейшим компонентом, определяющим как эффективность, так и область применения топливных элементов. В зависимости от типа ТЭ различаются и материалы электролитов:
Полимерные электролиты (для PEMFC) являются одними из самых востребованных, так как обеспечивают низкую температуру работы, что делает такие ТЭ особенно привлекательными для портативных устройств. Основной материал — это полимер, например, перфторсульфоновая кислота (Насион), который проводит протоны при воздействии влаги.
Щелочные электролиты (для AFC) традиционно использовались в первых моделях топливных элементов. Здесь применяют раствор гидроксида калия или натрия в воде, которые проводят гидроксид-анионы. Основным преимуществом щелочных ТЭ является более низкая стоимость и меньшая чувствительность к загрязнениям, однако эти элементы требуют строгого контроля температуры и влажности.
Твердооксидные электролиты (для SOFC) представляют собой оксиды, такие как серия оксидов иттрий-стабилизированного циркония (YSZ), которые могут работать при высоких температурах, что позволяет использовать такие ТЭ в стационарных установках. Твердые оксиды обеспечивают отличную эффективность при высокой температуре и способны работать с различными топливами, включая метан и биогаз.
Фосфорные электролиты (для PAFC) представляют собой фосфорную кислоту, которая применяется для получения высокой стабильности и долговечности ТЭ при работе в среде с высокой температурой. Эти топливные элементы имеют стабильную характеристику на протяжении десятков тысяч часов, что делает их идеальными для применения в стационарных установках.
Мембраны в топливных элементах должны обеспечивать высокую проводимость и избирательную пропускную способность для ионов (например, протонов в PEMFC), одновременно препятствуя утечке топлива и окислителя. В PEMFC часто используются полиэтилениминовые мембраны, которые являются оптимальными с точки зрения скорости обмена протонов, а также устойчивости к температурным изменениям и химическим воздействиям.
Топливные элементы с твердым оксидом (SOFC) используют материалы, которые могут работать при температурах от 600°C до 1000°C. В таких системах ключевыми являются оксиды редкоземельных элементов, такие как серия иттрий-стабилизированного циркония (YSZ) и лантановый цирконий, которые обладают высокой проводимостью и устойчивостью к термочувствительности. В таких топливных элементах также широко используются композиты на основе оксидов и металлов для повышения долговечности и уменьшения потерь энергии.
Катализаторы в топливных элементах отвечают за ускорение электрохимических реакций. Наиболее важными являются металлические катализаторы, такие как платина и её сплавы, которые обладают высокой активностью для катализирования как реакции восстановления кислорода на катоде, так и реакции окисления водорода на аноде. Однако высокая стоимость платины приводит к поискам более дешевых альтернатив, таких как углеродные наноматериалы или катализаторы на основе более дешевых металлов, таких как никель, кобальт, медь и их сплавы.
Основными проблемами при разработке материалов для топливных элементов являются высокая стоимость катализаторов, долговечность материалов при длительной эксплуатации и проблемы с усталостью материалов на анодах и катодах. Кроме того, необходимо учитывать такие факторы, как стабильность материалов в условиях высоких температур и давления, а также их способность выдерживать механическое и химическое воздействие.
Перспективы улучшения материалов для топливных элементов связаны с разработкой более эффективных и дешевых катализаторов, а также с поиском новых материалов для мембран, которые позволят повысить проводимость и долговечность элементов. Активно ведутся исследования в области нанотехнологий, где используют наночастицы для создания катализаторов с высокой активностью и стойкостью к отложению загрязнителей.
Материалы для топливных элементов играют важнейшую роль в обеспечении их эффективности и долговечности. На сегодняшний день разработка новых и более дешевых материалов остаётся одним из главных направлений в области материаловедения для энергетики. Улучшение характеристик материалов, таких как катализаторы, мембраны и электролиты, а также создание новых композитных материалов открывает перспективы для широкого применения топливных элементов в различных сферах — от мобильных устройств до стационарных энергетических установок.