Энергетика завтрашнего дня - С помощью топливных элементов

С ПОМОЩЬЮ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ — В ОБХОД ЦИКЛА КАРНО
1
Всего несколько лет назад термин «топливные элементы» ничего или почти ничего не говорил даже специалистам, работающим в области энергетики. Но постепенно это выражение стало все чаще мелькать на страницах специальных изданий, стало оно появляться и в популярных технических журналах. В начале брошюры уже говорилось, что топливные элементы позволяют непосредственно преобразовывать химическую энергию в электрическую новым, экономичным способом, за которым большое будущее. Остановимся на принципе действия, устройстве и особенностях топливных элементов более подробно.
Получение электроэнергии с помощью топливных элементов является одним из четырех способов прямого преобразования энергии. В отличие от первых трех, которые служили для преобразования тепловой энергии в электрическую, топливные элементы позволяют получать электроэнергию непосредственно из химической энергии топлива.
Интересно отметить, что идея топливных элементов, как это было и в первых трех случаях, появилась более ста лет назад. Много сделал в этой области известный русский ученый Π. Н. Яблочков. Но сравнительно низкий уровень науки и техники того времени не позволил практически применить этот способ. Да и сама жизнь до последнего времени не ставила с такой остротой вопрос о необходимости создания новых методов преобразования энергии.
Что же представляют собой топливные элементы и каковы их основные достоинства, привлекающие внимание ученых во многих странах?
Топливные элементы — это химические источники электрического тока, но в то же время топливные элементы имеют характерные особенности, выделяющие их из всех других химических источников тока.
В обычных батареях электроды состоят из химически активных веществ, которые сами участвуют в реакциях. Для анода, например, используют цинк, магний, свинец или натрий, которые не относятся к топливу. На катоде в таких батареях реагируют, как правило, сложные вещества, такие, как двуокись свинца, двуокись магния, окись серебра, а также некоторые другие, из которых, по сути дела, выполнены сами электроды. В процессе химических реакций активные вещества расходуются, электроды разрушаются и батарея становится непригодной для дальнейшего использования. В этом каждый мог убедиться, вытащив из карманного фонарика отслужившую свой век батарейку. Аккумулятор тоже хотя и не выходит из строя, но имеет вполне определенный запас активных веществ, после израсходования которых нуждается в специальном восстановлении работоспособности.
В топливном элементе электроды в процессе работы не разрушаются: они изготовлены из нейтральных материалов и в реакциях не участвуют. Химические реакции в топливных элементах протекают между активными веществами, которые в газообразном или жидком виде подводятся к электродам. Пока идет подача активных веществ, происходит их взаимодействие, только тогда и выделяется электрическая энергия.
Какие же вещества подаются в топливные элементы и какие необыкновенные реакции в них происходят? Оказывается, ничего нового и необычного мы здесь не встретим. В топливных элементах происходит самая обыкновенная реакция окисления, которую чаще называют просто горением. Участвуют в этой реакции какое-либо топливо (откуда, собственно, и произошло название элемента), а также другой необходимый компонент — окислитель.
Но известно, что при горении выделяется тепло, и до сих пор не было слышно об электричестве. В чем же дело?
Оказывается, что реакция окисления топлива может происходить без выделения тепла, а вместо него будет выделяться электрическая энергия. Чтобы понять это, рассмотрим простейшую схему топливного элемента (рис. 8). В качестве топлива возьмем водород, а в качестве окислителя — чистый кислород.

Рис. 8. Схема топливного элемента:
1 — корпус; 2 — анод; 3 — электролит; 4 — катод; 5 — полезная нагрузка
Как и любой химический источник электрического тока, топливный элемент имеет два электрода — анод и катод. Электроды сделаны пористыми, и пространство между ними заполнено электролитом, хотя бы раствором КОН. С другой, сухой, стороны к аноду под некоторым давлением подводится газообразный водород, а к другому электроду (катоду) — кислород. Электроды соединены внешней цепью.
При работе топливного элемента водород проходит через пористый анод и на границе между электродом и электролитом диссоциирует, причем электроны уходят по аноду во внешнюю цепь, а положительно заряженные ионы водорода поступают в электролит. На катоде пришедшие из внешней цепи электроны соединяются с атомами кислорода и образуют ионы кислорода. Эти ионы кислорода в электролите соединяются с водой, образуя гидроксильные ионы, которые вступают в реакцию с ионами водорода и образуют воду. Общий итог реакций в топливном элементе следующий:
O2+ 2Hg = 2Н2O + электроэнергия.
В топливных элементах нет большого запаса активных веществ, так как они подаются туда сравнительно небольшими порциями, тогда как в других химических источниках тока содержится весь запас активных веществ. Поэтому от топливных элементов нельзя получить большой разрядный ток за короткое время, как от аккумуляторных батарей. Топливные элементы более пригодны для обеспечения умеренного по величине, но продолжительного по времени расхода электроэнергии. Так, топливные элементы вполне подойдут как источник энергии для движения корабля или автомобиля. Но для стартера, с помощью которого производится запуск обычного автомобильного двигателя, топливные элементы использовать нельзя, особенно если запускать двигатель приходится в холодное зимнее утро.