Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Из чего состоит топливный элемент — вопрос, ответ на который определяется типом электрохимической ячейки. В основе любой конструкции лежит трёхслойная структура: ионопроводящий электролит, разделяющий два электрода — анод и катод — с нанесённым на них катализатором. Поверх этой «сердцевины» добавляются газодиффузионные слои, биполярные пластины и герметизирующие элементы; всё это объединяется в мембранно-электродный блок (МЭБ) и далее в батарею (стек).
В статье разобрано, из чего состоит топливный элемент каждого основного типа (PEMFC, AFC, PAFC, MCFC, SOFC), какие материалы выполняют каждую функцию и как водород и кислород превращаются в электричество. Терминология и принципы классификации соответствуют межгосударственным и национальным стандартам серии ГОСТ Р МЭК 62282 (идентичны международной серии МЭК 62282).
Топливный элемент — электрохимическое устройство, преобразующее химическую энергию топлива (как правило, водорода) и окислителя (кислорода воздуха) непосредственно в электрическую энергию и тепло, минуя стадию горения. В отличие от аккумулятора, топливный элемент не запасает энергию, а вырабатывает её, пока на электроды подаются реагенты.
Суммарная реакция в водородно-кислородном топливном элементе — простое окисление водорода с образованием воды:
1,229 В
0,6–0,7 В
Реакция разделена на две полуреакции, протекающие на разных электродах:
H2 → 2H+ + 2e−
½O2 + 2H+ + 2e− → H2O
Электроны идут через внешнюю цепь, совершая полезную работу; ионы (в зависимости от типа элемента — H+, OH−, O2− или CO32−) переносятся через электролит, замыкая внутренний контур.
Тип переносимого иона задаётся электролитом, а от типа электролита зависят все остальные материалы топливного элемента — от катализатора до биполярных пластин.
Несмотря на различия между типами топливных элементов, базовая компоновка единичной ячейки в большинстве конструкций одинакова. По центру — мембрана/электролит, по обе стороны от него — каталитический слой, далее газодиффузионный слой, ещё дальше — токосъёмная (биполярная) пластина с каналами для подачи газа.
Электролит вместе с двумя каталитическими слоями и (часто) газодиффузионными слоями объединяют в единую сборку — мембранно-электродный блок (МЭБ, MEA). Это базовый узел, который тиражируется десятками и сотнями в составе батареи.
Электролит — центральный элемент конструкции. Он должен одновременно проводить ионы и блокировать электроны, удерживать газы по разные стороны и выдерживать рабочую температуру и химическую обстановку. Именно по материалу электролита топливные элементы и классифицируют.
В низкотемпературных PEM-элементах в качестве мембраны применяется полимер на основе перфторированной сульфоновой кислоты (PFSA, ПФСК) — фторопластовая основа с боковыми сульфоновыми группами. Протоны переносятся вместе с водой по гидрофильным каналам внутри мембраны, поэтому полимер должен быть постоянно увлажнён; именно поэтому стандартный PFSA-электролит работоспособен только до температуры около 80 °C.
В высокотемпературных PEM-элементах применяется полимер на основе полибензимидазола (PBI), допированный фосфорной кислотой; такие мембраны работают без увлажнения при температурах до 160–180 °C.
В SOFC электролит — газоплотная керамика, как правило, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия в количестве около 8 мол. % (8YSZ). На повышенных температурах в ней становится достаточной проводимость по ионам O2−. Альтернативы — стабилизированный скандием диоксид циркония (ScSZ) и допированный оксид церия (GDC) — позволяют снизить рабочую температуру.
Электроды топливного элемента — это не сплошные металлические пластины, а тонкие пористые каталитические слои, нанесённые непосредственно на поверхность электролита. Их назначение — обеспечить максимальную площадь трёхфазной границы «реагент — катализатор — ионный проводник», на которой протекают электрохимические реакции.
В PEMFC и PAFC рабочая температура слишком низка для протекания реакций без катализатора. На обоих электродах применяют платину, нанесённую на углеродный носитель (Pt/C). Углерод служит электропроводящей подложкой и обеспечивает развитую поверхность.
На аноде (реакция окисления водорода — HOR) кинетика быстрая и достаточно малой загрузки платины; на катоде (реакция восстановления кислорода — ORR) кинетика существенно медленнее, и платины требуется существенно больше. Точные значения загрузки нормируются производителем мембранно-электродного блока и снижаются по мере совершенствования технологии.
Для повышения активности и снижения количества платины применяют сплавы и интерметаллиды с переходными металлами (например, Pt-Co, Pt-Ni). Платино-рутениевые системы устойчивее к отравлению CO и используются при работе на риформированном топливе и в высокотемпературных PEM.
В щелочной среде кинетика реакции восстановления кислорода ускоряется и допускается применение неблагородных катализаторов — никеля Ренея, серебра, переходных металлов и их оксидов. Это историческое преимущество AFC, реализованное, в частности, в космических энергоустановках.
В SOFC и MCFC рабочая температура столь высока, что специальный благородно-металлический катализатор не нужен — функции катализатора и электрода совмещаются в одном материале:
Платина чувствительна к каталитическим ядам — в первую очередь к угарному газу, сере и аммиаку. Поэтому для PEM-элементов критично качество водорода, а MCFC и SOFC, у которых катализатор — никель, толерантнее к примесям и допускают работу на риформированном природном газе.
Газодиффузионный слой (Gas Diffusion Layer, GDL) — пористый электропроводный материал между каталитическим слоем и биполярной пластиной. В низкотемпературных PEM-элементах его роль особенно важна.
В высокотемпературных топливных элементах (SOFC, MCFC) отдельного GDL обычно нет: пористая структура самих электродов и каналов биполярной пластины (интерконнектора) выполняет ту же функцию.
Биполярная пластина (для SOFC — интерконнектор) — один из самых массивных и материалозатратных компонентов батареи. Она одновременно является токосъёмным элементом одной ячейки и распределителем газа для соседней, а также формирует механическую раму всей сборки.
Биполярные пластины в PEM-стеке формируют значительную долю массы и стоимости батареи, и снижение их толщины при сохранении геометрии каналов и механических свойств — одна из ключевых задач конструкции.
По периметру МЭБ и каналов установлены уплотнения, обеспечивающие газоплотность ячейки. В PEM-стеках применяются эластомерные прокладки на основе силиконовых, фторкаучуковых (FKM) и этилен-пропилен-диеновых (EPDM) каучуков, либо клеевые формованные уплотнения. В высокотемпературных SOFC уплотнения — стеклокерамические или композитные слюдяные пакеты.
По ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 и серии стандартов МЭК 62282 топливные элементы классифицируют по химии электролита: щелочной, полимерный электролит (включая прямые метанольные DMFC), фосфорная кислота, расплавы карбонатов, твёрдый оксид, водный раствор солей. Сводное сравнение основных типов — в таблице ниже.
Низкотемпературные элементы (PEMFC, AFC) выходят на режим за секунды или единицы минут; высокотемпературные (MCFC, SOFC) требуют длительного контролируемого прогрева и предназначены для работы в стационарном режиме практически непрерывно.
Полимерный электролит-мембранный топливный элемент (PEMFC) — наиболее распространённый тип для транспорта и портативных применений. Послойная структура одной ячейки выглядит так:
Слои 2–6 объединяются в единый мембранно-электродный блок (МЭБ). Несколько десятков таких блоков, разделённых биполярными пластинами, образуют батарею.
Полимерная мембрана работоспособна только при оптимальной влажности. Пересыхание ведёт к падению протонной проводимости и термическому повреждению полимера; «затопление» катода жидкой водой блокирует доступ кислорода к катализатору. Системы увлажнения и водного менеджмента — обязательная часть PEM-системы.
Твёрдооксидный топливный элемент (SOFC) построен полностью на керамических и металлокерамических материалах. Электролит — газоплотная кислород-ионопроводящая керамика; электроды — пористая керамика или кермет; между ячейками — металлический или керамический интерконнектор.
В современных SOFC электролит делают как можно более тонким, поскольку именно его сопротивление при снижении температуры ограничивает работоспособность ячейки. Несущим элементом при этом выступает не электролит, а один из электродов:
Методы тестирования единичных элементов и батарей SOFC регламентированы ГОСТ Р МЭК 62282-7-2-2024 (идентичен МЭК 62282-7-2).
На вход топливного элемента, помимо окислителя (воздух или чистый кислород), подаётся топливо. Для большинства типов это водород; для DMFC — раствор метанола в воде; для MCFC и SOFC — также возможен природный газ, который реформируется в водород-содержащий синтез-газ непосредственно внутри элемента или во встроенном реформере.
Для PEM-элементов критична чистота водорода: основные нормируемые примеси — CO, H2S, NH3, общие углеводороды, инертные газы, пары воды. Угарный газ даже в очень низких концентрациях обратимо отравляет платиновый катализатор низкотемпературного PEM. Минимальные качественные характеристики водородного топлива для различных применений (включая дорожный транспорт и стационарные установки на PEM) регламентируются международным стандартом ISO 14687:2025, который отменяет и заменяет ранее действовавшее издание ISO 14687:2019.
Высокотемпературные элементы значительно толерантнее: SOFC и MCFC могут работать на риформированном природном газе, биогазе и синтез-газе, поскольку никелевый анод одновременно служит катализатором паровой конверсии и сдвига водяного газа непосредственно внутри ячейки.
Единичная ячейка вырабатывает напряжение менее одного вольта, поэтому для практической мощности ячейки соединяют последовательно в батарею (стек). Стек включает не только МЭБ и биполярные пластины, но и:
По ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 такой узел определён как «блок топливного элемента» (fuel cell stack), а более крупный сборочный узел, включающий стек и основные или дополнительные компоненты, — как «модуль топливных элементов» (fuel cell module).
Помимо стека, в составе энергоустановки работает balance of plant (BoP) — вспомогательное оборудование: системы подачи и очистки топлива, нагнетатели и осушители воздуха, увлажнители (для PEM), теплообменники, реформеры (для SOFC и MCFC), силовая электроника (DC/DC-преобразователи, инверторы), системы автоматики и безопасности.
Топливный элемент как изделие — это всегда сочетание МЭБ-уровня, где и происходит электрохимия, и системного уровня BoP, обеспечивающего работоспособность сердцевины.
Из трёх функциональных слоёв: ионопроводящего электролита между двумя пористыми электродами с катализатором. Эта «сердцевина» в большинстве конструкций дополняется газодиффузионными слоями и биполярными пластинами с каналами для подачи топлива и окислителя; всё вместе образует мембранно-электродный блок (МЭБ), который соединяется в батарею (стек).
Из полимера на основе перфторированной сульфоновой кислоты (PFSA) — фторопластовой основы с боковыми сульфоновыми группами. Такая мембрана проводит протоны при увлажнении и газоплотна. Для высокотемпературных PEM-элементов применяется полимер на основе полибензимидазола (PBI), допированный фосфорной кислотой.
В низкотемпературных PEM- и PAFC-элементах платина катализирует медленную реакцию восстановления кислорода и обеспечивает стойкость в кислой среде. Полная замена платины пока не реализована; снижение её загрузки достигается за счёт сплавов с переходными металлами (Pt-Co, Pt-Ni) и развитой поверхности углеродного носителя. В щелочных AFC и в высокотемпературных MCFC и SOFC применяются неблагородные металлы (Ni, Ag).
Принципиально — электролитом и температурой. PEMFC — полимерная мембрана, рабочая температура 60–80 °C, ион H+, катализатор Pt/C, быстрый запуск, чувствительность к чистоте водорода. SOFC — твёрдооксидная керамика (как правило, YSZ), рабочая температура 600–1000 °C, ион O2−, электроды на основе Ni/YSZ и LSM/LSCF, длительный прогрев, толерантность к примесям и возможность работы на природном газе с внутренним риформингом.
Из полимерной мембраны, двух каталитических слоёв на её поверхностях (Pt/C, связанный иономером) и обычно двух газодиффузионных слоёв (углеродная бумага или ткань с PTFE и микропористым подслоем). Иногда под аббревиатурой МЭБ понимают только «3-слой» (мембрана + 2 каталитических слоя), а с GDL её называют «5-слойной» сборкой.
Базовое топливо — водород. PEM- и PAFC-элементы требуют водорода высокой чистоты (по ISO 14687:2025). MCFC и SOFC за счёт высокой температуры допускают работу на риформированном природном газе, биогазе и синтез-газе с внутренним риформингом непосредственно в ячейке. Окислитель в большинстве конструкций — кислород воздуха; чистый кислород применяется в космических и подводных энергоустановках.
На аноде катализатор расщепляет водород на протоны и электроны. Электроны не могут пройти через электролит и движутся через внешнюю цепь, совершая электрическую работу. Протоны (в PEMFC) проходят через мембрану к катоду, где соединяются с электронами и кислородом, образуя воду. Теоретическая ЭДС в стандартных условиях — 1,229 В на ячейку; рабочее напряжение под нагрузкой — обычно 0,6–0,7 В.
Для PEM-элементов — из плотного графита, углерод-полимерного композита или штампованного металла (нержавеющая сталь, титан) с защитным покрытием. Для SOFC интерконнекторы изготавливают из ферритных коррозионностойких сталей с покрытиями (для среднетемпературных конфигураций) или из керамических хроматов лантана (для высокотемпературных).
Это батарея — последовательно соединённый набор единичных ячеек, разделённых биполярными пластинами. По ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 «блок топливного элемента» (fuel cell stack) включает не только сами ячейки, но и водоотделители, охлаждающие пластины, коллекторы и опорную конструкцию. Стек, объединённый с основными и дополнительными компонентами для встраивания в энергосистему, называют модулем топливных элементов.
Протонная проводимость PFSA-мембраны обеспечивается переносом протонов вместе с молекулами воды по гидрофильным каналам полимера. При обезвоживании проводимость резко падает, мембрана может необратимо повредиться. Поэтому стандартные PEM-элементы оснащают системой увлажнения газов и ограничены сверху температурой около 80 °C — выше начинается интенсивное испарение воды.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.