спехов добилась фирма "Телефункен" (ФРГ), создавшая электроды на основе карбида вольфрама [42; 66, с. 183; 67; 90]. Карбид вольфрама получают при взаимодействии оксида вольфрама с монооксидом углерода при температуре 700-800°С-Гидрофобизированные электроды, состоящие из карбида вольфрама, угля и тефлона, обеспечивают при температуре 70-90°С плотнорть тока 1 кА/м2 при поляризации 100 мВ. Воздушно80

водородные ТЭ с сернокислым электролитом (массовая доля щ SO4 - 36%), с гидрофобизированными электродами и катализаторами из карбида вольфрама на аноде из платины на катоде имели при температуре 70-90° плотность тока 1 кА/м2 при напряжении 0,5 В. Ресурс ТЭ превышал 10 000 ч. На базе этих ТЭ создана воздушно-метанольная ЭЭУ мощностью 1-2 кВт, в которой метанол подвергается конверсии, а продукты конверсии подаются в ТЭ. К недостаткам рассмотренного ТЭ следует отнести потребность в платине на катоде и невысокий КПД (примерно 30%). Соответственно КПД энергоустановки будет соизмерим с КПД двигателей внутреннего сгорания. В перспективе Pt может быть заменена на другие катализаторы, например термообработанные органические комплексы, а КПД можно увеличить при уменьшении плотности тока, улучшении конструкции ТЭ, увеличении температуры.

2.4.3. Топливные элементы с фосфорнокислым электролитом (ТЭФКЭ). При повышении температуры ТЭ до 150-200°С обеспечивается решение нескольких задач. Увеличивается скорость процессов на электродах и КПД ТЭ, уменьшается и количество катализаторов и их чувствительность к ядам, облегчаются процессы отвода воды и тепла из ТЭ и др. Однако при температу-ревыше 100-120°С концентрированные растворы H2S04 недостаточно устойчивы, поэтому электролитом в среднетемператур-ных ТЭ служат концентрированные (95-98%) растворы фосфорной кислоты Н3Р04 [68; 94-97]. Рабочая температура в первых вариантах ТЭ с фосфорнокислым электролитом (ТЭФКЭ) составляла 180-200°С. Разработка ТЭФКЭ ведется в США (фирмы ЮТК, "Энгельгард", "Вестингауз"), Японии, Италии, Бразилии. Основные работы выполнены фирмой ЮТК. Электродом в ТЭ служат графитизированные угольные пластины с площадью поверхности 0,33 м2, с платиновым катализатором. Электролит (массовая доля Н3Р04 98%) заключен в матрицу из карбида кремния и тефлона. Схема элемента приведена на рис. 2.9.

За 10 лет НИР и ОКР удалось снизиь содержание платины в 28 раз и к 1980 г. довести до 2,5 г/м2 на аноде и 5 г/м2 на катоде. Платиновый катализатор находится в высокодисперсном состоянии (Sm > 80 м2/г). Плотность мощности за 10 лет НИР и-ОКР была увеличена в 5 раз и в 1980 г. составляла 1,5-2 кВт/м2, ресурс увеличен в 20 раз и в 1980 г. составил 40 000 ч. Характеристики элементов, полученные в 1980 г., приведены на рис. 2.3 (кривая 7) и в табл. 2.5 (поз. 7). Стоимость катализаторов пока

81

г

Применения более стойких катализаторов и носителей) и снижения удельной стоимости ТЭ в 1,5-2 раза.

Следует также отметить, что при расчете амортизационных отчислений необходимо учитывать возможность регенерации части платины из блоков ТЭ, отслуживших свой ресурс.

Рис. 2.9. Схема ТЭ с фосфорнокислым электролитом:

1 — подвод и распределение газа; 2 и б — токоотводы; 3 и 5 — пористые катали-тические слои; 4 — матричный электролит

высока - 40-70 долл/кВт (цены 1981 г.), поэтому предложено использовать сплав Pt-Pd, что позволит снизить стоимость катализатора примерно в 1,5 раза [95, с. 1149]. Рассматривается также возможность применения сплавов Pt-V, Pt-Zr, Pt-Ta [96], Каталитическая активность сплава Pt-V оказалась выше актив-ности Pt [97, с. 127-130]. Кроме того, эти катализаторы обладают высокой химической устойчивостью. Их применение позволит повысить рабочую температуру ТЭ до 210°С, давление до 0,8 МПа, что приведет к улучшению параметров ТЭ. Предложен смешанный металлоорганический и платиновый катализатор, который оказался активнее и дешевле платиновых катализаторов [170, с. 168-170]. Кроме того, ведется поиск новых носителей катализаторов. В качестве последних рекомендуются угольные материалы, графитизируемые гтри температурах до 2800°С, а также карбиды кремния и титана [97, с. 1-5]. Ведется поиск новых, более устойчивых материалов межэлементных теплообменников, предназначенных для отвода тепла из ТЭ.

Следует отметить, что аноды ТЭФКЭ весьма чувствительны к присутствию СО в газах. Потери напряжения ТЭ возрастают пропорционально логарифму отношений концентрации CO/Hj, что указывает на вытеснение молекулами СО адсорбированных на платине атомов водорода [61]. При изменении отношения концентраций СО/Н2 от 0 до 0,025 плотность тока обмена н* электродах, содержащих 3 г/1 м2 Pt, при температуре 190°С снижалась с 3,09 до 1,42 кА/м2. В связи с этим необходима глубокая очистка газов, подаваемых в ТЭ, от СО.

Анализируя ход разработок и состояния исследований ТЭФКЭ, можНо высказать прогноз улучшения характеристик ТЭг плотности мощности в 1,5-3 раза за счет повышения давления и температуры, некоторого увеличения ресурса (за счет 82

2.5. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

для