Топливный элемент (ТЭ) — это устройство, в котором происходит прямое превращение химической энергии топлива в электроэнергию.

В англоязычных источниках их принято называть DCFC - direct coal fuel cell. Эти элементы были изобретены Уильямом Жако и запатентованы в США в 1896 году, патент № 555511.

Топливный элемент, предложенный Жако, состоял из:

• Корпуса – емкости из низкоуглеродистой стали (катод);
• Угольного стержня (анод);
• Воздухоподводящей трубки;
• Печь для нагрева электролита.

В качестве электролита использовался раствор NaOH, хотя возможно применение других.

Энергетическая установка из таких элементов показывала КПД до 35%.

Существует много различных конфигураций предложенных самим Жако и другими исследователями.

Для показательного расчета КПД возьмём аппарат с такими данными:

• цилиндрический корпус из стали марки ст2пс диаметром 15 мм и длиной 40 мм;
• графит неизвестного происхождения, длина 20 мм, диаметр 6 мм (1,22 г или 0,102 моль);
• NaOH в качестве электролита;
• средняя мощность за все время работы 31 мВт;
• среднее значение получаемого ЭДС 0,789 В;
• длительность работы более 100 часов;
• сила тока 0,039 А.

Реакция происходит по уравнению:

Для ТЭ определяют термодинамический (идеальный) и реальный КПД.

Применительно к ТЭ идеальный КПД (ηи) представляют в виде

где n – количество электронов, участвующих в реакции; F – постоянная Фарадея; ∆Н – энтальпия реакции; Еср – средняя разность равновесных электродных потенциалов элемента при полном использовании топлива или электродвижущая сила:

Тогда

Реальный КПД (ηр) ТЭ определяется как

где ηF – Фарадеевский КПД, ηэ – электрический КПД.

Под фарадеевским КПД ТЭ понимают отношение количества электричества, реально полученного в ТЭ от моля восстановителя (qp) к теоретическому количеству электричества (qт), определяемому законом Фарадея.

Реальное количество электричества равно

где I – сила тока, t – время работы элемента, ν – количество вещества графита.

Теоретическое количество электричества можно определить как

Тогда Фарадеевский КПД равен

Электрический КПД определяется как

где U – напряжение на элементе.

Таким образом, реальный КПД будет:

Это значение для единичного неоптимизированного ТЭ. Практическая электростанция на ТЭ по предварительным расчетам сможет достигать значение КПД в 70–75%, что в 1,5–2 раза больше КПД тепловых угольных электростанций.

Выводы:

• Проведенный анализ показал что для оптимального функционирования ТЭ необходимо усовершенствовать подачу воздуха, т.к. процесс является гетерогенным и лимитирующей является диффузионная область, усовершенствовать нагрев и сохранение тепла.
• Необходимо разработать систему смены электролита и угольного электрода без необходимости остановки реактора.
• В качестве варьирования условий необходимо подобрать соотношение таких технологических параметров: температура электролита, вид электролита, вид стали для катода, вид угольного анода, расход воздуха, соотношение объема электролита к поверхности угольно электрода.
• ТЭ является экологически чистым источником энергии: высокий КПД позволит снизить расход топливных ресурсов, в ходе реакции в атмосферу выделяется только СО2, оксиды серы и всех других элементов связываются щелочью.