Топливные элементы

Еще до свинцового аккумулятора был создан элемент, в котором электрическая энергия генерировалась за счет окисления горючего. В 1839 г. английский исследователь Уильям Гроув (1811-1896) доказал возможность получения электрического тока путем окисления водорода кислородом: электрический ток получался сразу же из химической энергии.

Много сил отдал химическим источникам тока Павел Николаевич Яблочков, впервые широко поставивший задачу о превращении химической энергии топлива в электрическую. Яблочков писал: «Уголь, сжигаемый в паровой машине, производит работу, которая, будучи превращена в электричество с помощью магнита электрических машин, дает электричество по гораздо более дешевой цене, чем все химические источники тока, существовавшие до нашего времени. Это соображение толкнуло меня на мысль получить электричество, химически действуя непосредственно на уголь». Для решения этой задачи Яблочков использовал гальванические элементы различной конструкции, составленные из сочетания угольного и железного электродов, погруженных в расплавленные нитраты или сульфаты. Может быть, такой элемент и окажется когда-нибудь перспективным, если будут преодолены некоторые технические трудности. Но еще более заманчивой является сама идея использовать химическую энергию топлива сразу же для получения электрического тока.

Сегодня переход химической энергии топлива в электрическую осуществляется в несколько стадий: химическая энергия - тепловая - механическая - электрическая Особенно большие потери происходят на стадии перехода тепловой энергии в механическую. Даже по самому термодинамически выгодному циклу Карно коэффициент полезного действия турбин не превышает 45 процентов, дизельных установок - 30 и бензиновых двигателей - 20 процентов. Общий средний КПД большинства электростанций составляет всего 25 процентов. Если для производства 1 киловатт-часа энергии на тепловой электростанции требуется 1,5 килограмма угля, то в элементе, работающем по схеме химическая энергия - электричество, для этого понадобилось бы немногим более 500 граммов топлива.

Такие элементы, в которых химическая энергия преобразуется непосредственно в электрическую за счет электрохимического окисления обычного топлива, называют топливными элементами. История их разработки полна взлетов и падений, восторгов и разочарований. В настоящее время лучше всего разработаны водородно-кислородные, или низкотемпературные, топливные элементы. Топливом в этих элементах служит водород, а окислителем - кислород.

В таком элементе в электрическую энергию превращается та часть химической энергии, которая освобождается при окислении водорода до воды. Часть эта не так уж мала - около 90 процентов! Электроды в элементе сделаны из платины или из угля, пропитанного катализатором; электролитом служит раствор щелочи - гидрат окиси калия. В других конструкциях электролит заменен ионообменной мембраной, она является проводящей средой между электродами. Водородно-кислородный топливный элемент служит, кроме того, источником питьевой воды: воду, образующуюся в результате реакции в элементе, можно собирать в количестве примерно литр на 2 киловатт-часа выработанной энергии. К сожалению, водород пока не очень доступен, и водородно-кислородные топливные элементы еще очень дороги. Применяют их пока в особых случаях, например в космических аппаратах.

Водородно-кислородный элемент служил в качестве главного источника электрической энергии, на космических кораблях типа «Аполлон», летавших на Луну. Весил элемент, обеспечивающий корабль энергией в течение одиннадцати суток полета, около 250 килограммов. Если бы для такой цели использовался обычный электромеханический генератор электрической энергии, его масса составляла бы несколько тонн.

Создание топливного элемента оказалось нелегким делом. Насколько просты на первый взгляд Происходящие в нем реакции, настолько сложно его устройство. Ученым и конструкторам приходится решать подчас сложные проблемы тонкого баланса реакции на трехфазной границе, проблемы тепло- и массопередачи, водного баланса. И тем не менее реальность топливного элемента продемонстрирована, и сейчас электрохимики всего мира изыскивают способы уменьшить его стоимость и увеличить экономическую целесообразность егб использования. Особенно сложна проблема катализаторов, которые позволили бы использовать в топливных элементах обычное топливо - уголь, нефть, газ. Как бы то ни было, топливные элементы вполне могут стать конкурентоспособными и занять важное место среди других источников энергии.

Специалисты полагают, что радикальным решением проблемы электромобиля может оказаться применение топливных элементов в комбинации с аккумуляторами. Даже сейчас замена обычного двигателя электрогенератором с батареей из топливных элементов, включающим преобразователь топлива и свинцовый аккумулятор для запуска и пиковых нагрузок, хотя и увеличит массу автомобиля на 300 килограммов, зато вдвое повысит эффективность использования топлива по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и почти на 50 процентов - по сравнению с дизельными.

Трудностей в создании топливного элемента для электромобиля еще много. «Если бы мы имели источники тока, которые весили бы 5 килограммов на киловатт пиковой мощности и 3-5 килограммов на киловатт-час энергии, то техническая проблема их использования в электромобиле, по-видимому, была бы решена, - говорил А. Н. Фрумкин. - На сегодня мы имеем характеристику в 2-3 раза хуже. Но ведь в 3 раза - не в 100 раз хуже! Эта проблема будет решена».

Для большой энергетики перспективнее высокотемпературные топливные элементы (200-1000 °С). В качестве топлива они могут потреблять синтетические продукты - метанол, гидразин, а также каменный уголь. Энергоустановка должна состоять из батареи топливных элементов и установок для подготовки топлива (если будет использован уголь, понадобится генератор для получения окиси углерода). Несмотря на низкий КПД установок переработки топлива, общий КПД всей станции может достигнуть 40 процентов, что уже намного лучше КПД современных электростанций. Кроме того, при этом на 20 процентов сократится расход топлива на выработку того же количества электроэнергии.