Топливные элементы

Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию."-такое определение дает Википедия. Привожу статью за 1970 г, в которой объясняется принцип работы, устройство разнообразных топливных элементов(ТЭ) известных в то время.

 

КИЛОВАТТ В КАРМАНЕ

Как было бы хорошо иметь батарею для транзисторного приемника, на которой он мог работать, например, год! Но что толку от такой батареи: ведь она весила бы больше самого приемника. А батарея, рассчитанная на 10 лет? Такую тяжесть никто, конечно, не согласится таскать с собой. Значит, мечта о сверхдолговечной и миниатюрной батарейке неосуществима? Если говорить о тех батареях, к которым мы привыкли, то трудно ожидать создания идеальной батареи. Но представьте себе батарею, напоминающую двигатель внутреннего сгорания. В нее тоже подается «топливо», только работает она по принципу «холодного горения», что и делает ее похожей больше на обычную батарею или аккумулятор, а не на двигатель.

Называются такие батареи топливными элементами (ТЭ). Они бесшумны и безотказны в работе, не выделяют вредных газов. Энергия топлива в них превращается в электрическую непосредственно. Благодаря исключению всех промежуточных стадий к. п. д. их может достигать 70—80%. У топливных элементов очень длинная и трудная история.

водородный топливный элемент

Они родились около 150 лет назад забывали и «открывали» вновь; при тогдашнем состоянии науки и техники не удавалось сделать их экономичными, легкими, безотказными в работе и удобными в обслуживании. Особенно трудно было создать долго живущие и эффективные электроды.

Лишь за последние 20 лет развитие ТЭ двинулось вперед гигантскими шагами. Связано это с необходимостью создания мощных малогабаритных источников энергии для космических исследований, радио- и телеаппаратуры и других целей. Как же работает ТЭ?

При горении водорода происходит простая химическая реакция образования воды. При этом можно проследить три стадии этой реакции (рис. 1): отрыв электронов от атомов водорода, переход их к атомам кислорода и заполнение«вакантных» мест на внешней электронной оболочке. В результате образуются содружества двух ионов водорода и одного иона кислорода или просто молекулы воды. При обычном горении переход электронов осуществляется хаотически, во всем объеме реагирующих элементов. Температура при этом сильно повышается. Но представьте себе такую картину: атомы водорода мы собираем в одном месте, а кислорода — в другом.

Заставим водород гореть, только электронам, соскочившим с орбит его атомов, не дадим двигаться напрямик к атомам кислорода, а, поставив некую преграду, пустим их в «обход» по проводнику. Но что такое поток электронов?— Электрический ток. Остается подключить к проводнику лампочку или транзисторный приемник — бесперебойное питание обеспечено. Преградой же на пути электронов может служить обычный электролит.Он не пропускает электроны, зато образующиеся в результате реакции ионы водорода и кислорода двигаются в нем навстречу друг другу свободно. А как сделать, чтобы водород«горел» — отдавал электроны, — не будучи подожженным, а кислород их принимал?

В этом могут по катализаторы. Ведь водород загорается, если струю его направить на мелко раздробленную платину, даже при комнатной температуре. Итак, принцип действия ТЭ нам ясен. Сердце ТЭ — две пористые металлические пластинки — электроды (рис. 2).Если посмотреть на них под большим увеличением, можно заметить, что этих пор великое множество и они настолько увеличивают истинную поверхность электрода, что 1 г его имеет площадь (в зависимости от материала) в десятки и сотни квадратных метров.

Материалом электродов могут быть разнообразные металлы: в частности, никель, серебро, платина. Все это катализаторы, и в процессе работы ТЭ они остаются неизменными. Электроды делают пористыми для того, чтобы обеспечить легкий доступ газа и электролита к катализатору.

Простейшим и наиболее известным ТЭ является водородно-кислородный. В нем на анод поступает водород, а на катод — кислород. В результате реакции образуется обычная вода и, конечно, вырабатывается электрический ток Существует много ТЭ подобного рода. Топливом в них могут быть гидразин, спирт, углеводороды, многие газы, а окислителем, кроме кислорода, — просто воздух или азотная кислота. Все это ТЭ прямого действия, и все они хорошо известны. Однако существует целое семейство ТЭ совершенно необычных.

топливный элемент

Рис. 3 1 — угольный электрод; 2 — цинковый электрод; 3 — отверстие для подвода воздуха; — фарфоровая крышка;5 — заливочное отверстие для масляного защитного слоя; 6 — дыхательное отв.

Ток в пластмассовом стаканчике.

Если водород окисляется, то почему бы это не делать цинку? Он ведь тоже горит. В батарее карманного фонарика цинковый стаканчик «сгорает», но не в кислороде, а в электролите. Израсходуется электролит, и батарейку приходится выбрасывать. А ведь там осталось еще много цинка.

Но если заменить цинковый стаканчик с электролитом пластмассовым (рис. 3), а в него опустить цинковый анод и пористый угольный стержень, по которому будет поступать кислород или воздух, мы получим уже топливный элемент. Он будет работать необычно долго — до 10 тыс. часов: ведь если цинк израсходуется, можно поставить новый электрод. Вместо цинка можно использовать я другие металлы: алюминий, магний или галлий. Особенно ценен здесь галлий, который становится жидким при 29° С. Ведь жидкому металлу легче растворяться в щелочи, так как при этом не затрачивается дополнительная энергия на разрушение кристаллической решетки металла.

В зависимости от используемых металлов напряжение, создаваемое топливными элементами, различно, и это одно их преимущество. применяются для питания радиоприемников, в светофорах, аппаратуре горной безопасности и для освещения жилищ Разрабатываются конструкции элементов для замены автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

Бактерии в электрической упряжке

Ученые обнаружили, что некоторые бактерии выделяют вещества, способствующие окислению металлов. При этих биологических процессах выделяется энергия. Почему бы ее не использовать для производства электроэнергии?

В этом могут помочь топливные элементы (их назвали биохимическими) и морская вода. В таком элементе (рис. 4) бактерии «поселяют» на пористых пластинах, и они «производят» Серу из остатков серной кислоты — сульфат-ионов, которых в морской воде предостаточно. Но для такой работы необходимы дополнительные электроны. Они приходят от магния, из которого состоят другие электроды. Растворяясь, магний отдает два электрона бактериям, которые уже «пришивают» их к сульфат-ионам, превращая их в серу и выделяя энергию.

Морская вода, которая служит электролитом, поставляет окислитель — соли серной кислоты. А запасов топлива — металлического магния — в таком ТЭ хватает на долгое время. Биохимические ТЭ прямого действия устанавливают в море, и они дают энергию морским буям, автоматическим гидролокаторам, маякам и другим видам сигнальной и сторожевой аппаратуры.

Другие виды биохимических топливных элементов получают топливо метан, водород и другие горючие газы от бактерий, разлагающих органические вещества. В большой бак загружают опавшие листья, мусор, древесину, вместе с содержимым там бактерии. Выделяющиеся в процессе гниения газы очищают, сушат и оказываются и «сжигают» в ТЭ. В результате получают и электричество и удобрения.

По пути, проложенному живой природой

ТЭ реакция протекает только в месте контакта газа, электролита и катализатора. Отнимите отсюда что-нибудь одно, и реакция не пойдет. Но если бы удалось увеличить растворимость газов в электролите, то можно было обойтись без подачи водорода и кислорода к электродам. Реакция шла бы в месте контакта только двух сред — твердого катализатора и жидкого электролита с растворенными газами. Но для этого нужны химические вещества, которые обладали бы способностью легко присоединять и также легко отдавать кислород и водород. Тогда эти вещества можно было бы использовать для доставки топлива и окислителя в зону реакции. И оказалось, что такие вещества есть. Они имеются в живых организмах. Это гемоглобин крови, который переносит кислород, и целая группа других веществ, снабжающих пищей-топливом все клетки организма. Однако применять их в топливном элементе невозможно из-за их малой химической стойкости в растворах сильных кислот и щелочей. Тогда химики синтезировали подобные вещества и назвали их невидными. Молекулы этих веществ напоминают клешню краба: этой клешней молекула захватывает кислород, причем она его захватывает так же легко, как и отдает. Впервые это обнаружил советский ученый О. Ксенжекже высказал идею создания так топливных элементов, в которых доставка топлива и окислителя осуществляется клешневидными соединениями, а реакция идет на всей поверхности электрода.
Эти топливные элементы уже работают. Мощность их поистине фантастична: она достигает 1 кВт на литр объема элемента. Топливный элемент такого типа размером с двигатель автомобиля «Волга» имел бы мощность свыше 200 л. с, а весил всего около 300 кг.

топливный элемент

Рис. 5: 1 — ядерный излучатель; 2 — камера радиолиза; 3 — топливный элемент.

Созидание через разрушение

Конечно, вы уже слышали об ядерных или атомных батареях. В этих батареях энергия радиоактивного распада непосредственно превращается в электричество. Альфа- или бета-частицы дают на проводнике, а так как они заряжены, то в проводнике возникает электрический ток. Безусловно, это удобно, но подобная батарея имеет ряд недостатков. Основной из них — сверхвысокое напряжение: оно достигает сотен тысяч вольт, и потому приходится вводить дополнительные устройства для его понижения.

Если поместить кусочек радиоактивного вещества с альфа- и бета-распадом в воду, то под действием излучения вода будет непрерывно разлагаться на водород и кислород. А это как раз то, что нужно для топливного элемента. Схема ТЭ, электрохимически преобразующего ядерную энергию, весьма несложна (рис. 5).
Помещенный в раствор щелочи кусочек полония-210 разлагает воду, в результате чего образуется гремучий газ. Он поступает сначала на кислородный, затем на водородный электрод. Поэтому в Первую очередь расходуется весь кислород, а затем уже водород. Это необходимо для того, чтобы на водородный электрод не попала смесь газов — иначе произойдет их взрыв под действием катализатора.

Такие ТЭ найдут очень широкую область применения. Уже сейчас перед инженерами встала проблема: куда девать радиоактивные отходы атомных электростанций? Проблема эта будет, очевидно, решена, если построят целую сеть электростанций на ТЭ, использующих радиоактивные отходы разложения воды.

Озон в космосе

Создан топливный элемент, который обходится только одним кислородом. Под действием радиоактивного излучения обыкновенный кислород здесь превращается в озон. Его молекулы состоят не из двух, а из трех атомов со-кислорода, причем легко распадаются на двухатомную молекулу и одиночный атом. При этом происходит перераспределение электронов на внешней оболочке, вследствие чего выделяется энергия. Эта энергия и превращается в электричество. Атом кислорода получает два электрона с одного из электродов и образует молекулу воды. А на другом электроде вода теряет два электрона, там выделяется кислород (рис. 6). Он поступает в камеру, где под влиянием излучения превращается в озон. Круговорот кислорода происходит непрерывно.

Можно не помещать в камеру, где радиоактивного вещества, а просто запустить такой образуется озон, никакого ТЭ в космос. В космосе топливный элемент станет отлично работать, поглощая любое излучение: и альфа- и бета-частицы, и ультрафиолетовые лучи, и свет. Эти ТЭ уже созданы. Подобный преобразователь мощностью 1 квт весит 54 кг, и его будут устанавливать на спутниках, радиомаяках, автоматических межпланетных станциях. Правда, к. п. д. его достигает всего 20%, но ведь энергия, получаемая в нем, совсем даровая.

Рис. 7. а — подводная лодка с обычной силовой установкой: 1 — движитель; 2 — дизель; 3 — г генератор; 4 — свинцовые аккумуляторы; 5 — емкость с горючим; б — подводная лодка с батареей ТЭ: 1 — движитель; 2 — емкость с кислородом; 3 — емкость с углеводородным топливом; 4 — генератор топливных газов; 5 — батарея ТЭ.

Возможности малых преобразователей энергии практически безграничны. Их достоинства очевидны. Ученые разных стран настойчиво работают над совершенствованием топливных элементов. Разрабатываются ТЭ, которые станут работать на бензине и керосине. При работе таких ТЭ будут выделяться только углекислый газ и вода. Эти топливные элементы заменят двигатели внутреннего сгорания автомобиля. Проблема загрязнения воздуха выхлопными газами отпадет раз и навсегда.

В США разработан топливный элемент, человеческого организма преобразующий глюкозу в электрический ток для стимулирования работы сердца. Он представляет собой диск диаметром 38 и толщиной около 7 мм и рассчитан на десятилетия непрерывной работы.
Существуют проекты оснащения подводных лодок батареями ТЭ. На схеме (рис. 7а и 7б) видно, насколько меньше места занимает силовое оборудование лодки, оснащенной ТЭ, по сравнению с обычной лодкой. Наука не стоит на месте, и может быть, уже завтра слова «топливный элемент» станут для нас просты и обыденны, как ими уже стали слова«солнечная батарея», «спутник» и многие другие.

В. Тначенно,1970г