Энергетика завтрашнего дня - Натриевые топливные элементы

Выше были рассмотрены топливные элементы, работающие на кислороде и водороде. Из элементов, не относящихся к этой группе, следует остановиться на топливном элементе, в котором используется в качестве топлива натрий, точнее, жидкая натриевая амальгама.
Окислителем в таком элементе служит кислород, а электролитом — водный раствор NаОН. Последнее обстоятельство и приводит к необходимости применять не чистый натрий, а его амальгаму, так как ртуть предохраняет натрий от бурной реакции с водой. Катод изготовляется из пористого угля или активного металла, как в элементах Бэкона и Юсти. С одной стороны к нему также подводится кислород, другую сторону омывает электролит. Анодом служит железная пластина, по которой в электролите стекает амальгама. На аноде происходит ионизация натрия, положительный ион которого направляется через электролит к катоду, а освободившийся электрон по аноду уходит во внешнюю цепь. Ртуть не участвует в реакции и собирается каплями на дне сосуда с электролитом. На катоде происходит нейтрализация иона натрия, который соединяется с кислородом и водой, образуя NaOH. Таким образом, в ходе реакций расходуются натрий, кислород и вода, а получается гидроокись натрия, что приводит к увеличению концентрации электролита. Чтобы избежать этого, избыток электролита необходимо отводить из элемента, а в него добавлять воду, можно даже морскую.
Ртуть, освобожденную от натрия, отводят из элемента в специальное устройство — амальгаматор, в котором вновь образуется амальгама, идущая в топливный элемент.
Такие элементы, хотя и сложны конструктивно из-за наличия оборудования для циркуляции ртути и подачи натрия, имеют высокую электрохимическую активность. Напряжение топливных элементов, работающих на амальгаме натрия, почти в два раза выше, чем элементов, работающих на водороде. Мощность на одном элементе может превосходить 1 квт. В американской печати сообщалось, что можно рассчитывать получить установку из пяти таких элементов, которая при нормальном режиме работы дает мощность 6,12 квт при токе 720 а и напряжении 8,5 в. В случае перегрузки установка развивает мощность 18,57 квт при 2855 а и 6,5 в.
Выше было сказано о высокотемпературных топливных элементах. В них из-за увеличения температуры, при которой протекает реакция окисления, можно применять дешевые сорта топлива и получать при этом достаточные для практических целей плотность тока и напряжение. Рассмотрим некоторые образцы элементов такого типа.
В первых опытах по разработке высокотемпературных топливных элементов в качестве электролита применялись расплавленные карбонаты щелочных металлов, которые обладают хорошей химической устойчивостью и не изменяются при работе. Но вскоре от них пришлось отказаться, так как расплавленные карбонаты вызывали сильную коррозию электродов и других узлов, что приводило к быстрому выходу топливного элемента из строя.
В 1935 году немецкий ученый Шоттки предложил вместо расплавленных карбонатов применять в высокотемпературных топливных элементах твердый электролит с ионной проводимостью. Затем были разработаны еще несколько типов подобных электролитов. Однако все они обладали низкой электропроводностью, что снижало характеристики элементов. После Великой Отечественной войны советский ученый Давтян предложил другой состав твердого электролита, проводимость которого была увеличена почти в 100 раз.
Практически работоспособные высокотемпературные топливные элементы были созданы в последние годы в ряде стран. Отдельные образцы выработали примерно по 1000 ч. Топливом в этих элементах служат как водород, так и более дешевые сорта топлива — окись углерода, пары метилового спирта, метана, пропана. В настоящее время усилия многих исследователей направлены на создание новых, более эффективных твердых электролитов, а также на снижение температуры в топливном элементе.
Американская печать сообщала, что проводятся опыты по применению в качестве исходного топлива обыкновенного каменного угля. В специальном генераторе угольная пыль реагирует с двуокисью углерода и образует окись углерода С + СO2 = 2СО.
Окись углерода подается в топливный элемент, где она окисляется кислородом до двуокиси, при этом получается электроэнергия:
2СО + O2 = 2СO3 + электроэнергия.
Полученная СO2 снова направляется в генератор СО. Эти элементы имеют сравнительно небольшой срок службы, так как реакции в них могут протекать только при высоких температурах порядка 1070—1170° К.
Следует остановиться еще на одном типе топливных элементов. Их называют биологическими или биохимическими топливными элементами, а то и просто биоэлементами. Схема электрохимических реакций в них такая же, как и в обычных топливных элементах, а отличаются они способом получения достаточно активного топлива и окислителя. Иногда оба эти компонента, а иногда только один из них получаются с помощью бактерий или ферментов из различных углеводородов, углеводов, кислот жирного ряда, мочевины, веществ, содержащихся в морской воде, растительных и животных отбросов и многих других материалов, которые часто нельзя использовать даже в обычных тепловых энергетических установках.
Биоэлементы позволяют также получать электроэнергию из отходов человеческого организма, что имеет большое значение для разработки соответствующих систем на подводных лодках и обитаемых космических кораблях. Такие системы позволят утилизировать отходы и получить дополнительный источник электроэнергии.
Американская фирма «Мэгне Продактс» изготовила по заказу ВМФ США биоокеаническую батарею, которая в качестве топлива использует металл, а окислитель выделяется из морской воды с помощью бактерий Удельная мощность такой батареи незначительна, но ее можно использовать в качестве источника электроэнергии для морских буев, автоматических метеостанций и других подобных потребителей.
Та же фирма работает над созданием достаточно мощной батареи биоэлементов, которые в качестве топлива будут использовать мочевину, а окислителем в них будет служить сульфат магния. Последний, как известно, в изобилии содержится в морской воде.
Фирма «Дженерал Сайнтифик Корпорейшн» уже построила модель катера, которая движется за счет энергии, получаемой из морской воды при помощи биоэлементов.
Кроме перечисленных типов, существует еще целый ряд разновидностей топливных элементов. Например, имеются топливные элементы, служащие для аккумулирования электроэнергии. В такой элемент подается вода,
а к его электродам подводится электрический ток. Вода электролизом разлагается на водород и кислород, которые собираются в соответствующих емкостях. Когда от аккумулятора нужно получить электроэнергию, газы из этих емкостей подаются в тот же элемент, который в данном случае будет работать в качестве источника электроэнергии как обычный водородно-кислородный топливный элемент.