Химия в бою

Принципиальное устройство топливного элемента удобно проиллюстрировать на водородно- кислородном элементе (рис. 11). Пространство корпуса 1 разделяется электродами 6 и 9. По каналу 10 в пространство Н подается водород — топливо, а по каналу 5 в пространство О₂ подается кислород — окислитель. Через каналы 7 и 5 пропускается электролит — концентрированный раствор едкого калия (КОН).

На кислородном электроде 6 кислород поглощается. В результате процессов его взаимодействия с водой, находящейся в электролите, и электронами из металла электрода образуются ионы гидроксильной группы ОН. Кислородный электрод, потерявший электроны и оказавшийся обедненный ими, принимает положительный потенциал.

На водородном электроде 9 поглощается водород. Он переходит из молекулярного состояния в атомарное. Поглощенные атомы ионизируются и переносятся в электролит, оставляя электроны на электроде. Водородный электрод оказывается обогащенным электронами и принимает отрицательный потенциал.

Суммарная реакция на кислородном электроде может быть представлена формулой:

O₂ + 2Н₂O + 4е^— > 4OН;

а на водородном электроде:

Н₂ > 2Н⁺ + 2е^—

(знаком «е^—» обозначены электроны).

Итак, на водородном электроде получается избыток электронов (отрицательный потенциал), а на кислородном— недостаток (положительный потенциал). Возникает разность так называемых равновесных потенциалов электродов, которая и составляет электродвижущую силу топливного элемента. Если подключить к электродам топливного элемента нагрузку, она получит электрическую энергию. Ток между электродами внутри элемента потечет за счет движения ионов, которые нарушат равновесное состояние среды и вовлекут в процесс ионизации топливо и окислитель.

В качестве топлива (горючего) вместо чистого водорода могут быть использованы вещества, богатые водородом: спирты, жидкие и газообразные углеводороды, гидразин, аммиак, гидриды некоторых металлов, муравьиная кислота и другие водородосодержащие вещества. Из окислителей помимо кислорода могут применяться перекись водорода, азотная кислота, галогены (галоиды).

Из-за того что поиск наиболее целесообразных и экономичных решений топливных элементов идет в электрохимии широким фронтом, появились различные их типы: например, низко-, средне- и высокотемпературные; с твердым, жидким и газообразным горючим; с водными электролитами (растворами щелочей и кислот), с расплавленными электролитами (солями), с твердыми электролитами.

Для практического применения топливные элементы составляются в блоки, а блоки — в батареи. Батареи оснащаются вспомогательными устройствами и компонуются в электрохимические агрегаты (рис. 12). Вспомогательные системы — это системы хранения и подачи топлива, окислителя, регулирования режима работы, отвода продуктов реакции, система охлаждения, распределительное устройство электрической энергии. Если потребителям электрической энергии требуется кроме постоянного тока еще и переменный или только переменный ток, то в состав электрохимического агрегата входит преобразователь тока.

^{Рис. 12. Электрохимический агрегат:}

^{1 — капот; 2— топливный элемент; 3 — бак для водорода; 4 — бак для кислорода, 5 — основание агрегата; 6 — распределительная панель}

Соперник ядерного реактора

Специалисты особо отмечают высокую экономичность топливных элементов. Ведь теоретически коэффициент их полезного действия достигает 85 и более процентов. Это в 2–3 раза выше, чем, скажем, у электромашинных агрегатов. Кроме того, подчеркивалось в печати, электрохимические агрегаты проще и удобнее в эксплуатации, чем другие источники электроэнергии. Они постоянно готовы к действию, не расходуют топлива при отключенной электрической нагрузке. При работе топливные элементы не создают вибраций, шума, не производят выхлопных газов и сильного тепловыделения, что облегчает их использование в герметизированных кабинах и помещениях.

Достоинства топливных элементов, успехи их практической разработки за последние годы сделали подобные устройства объектом повышенного внимания специалистов. Считают, что их создание представляет собой крупнейшее научно-техническое достижение после овладения атомной энергией, им прочат не меньшее будущее. Особенно много прогнозов высказывает буржуазная печать относительно перспектив военного применения новых источников электроэнергии. Это и не удивительно. Ведь милитаристские круги империалистических государств стремятся использовать прогресс науки и техники прежде всего именно в этих целях.

В недалеком будущем, указывают иностранные военные специалисты, мощность и продолжительность действия электрохимических агрегатов возрастут настолько, что они будут в состоянии заменить двигатели внутреннего сгорания боевых и транспортных машин, электромашинные агрегаты ракетных комплексов. В печати приводятся утверждения, что уже в начале 70-х годов появятся подводные лодки с электрохимическими силовыми установками. Не исключено, отмечает, например, журнал «Шиф унд Хафен», что в дальнейшем такие подводные лодки смогут успешно конкурировать с атомными подводными кораблями, так как будут обладать по сравнению с ними многими важными преимуществами. В отличие от ядерного реактора топливные элементы не несут с собой радиоактивной опасности, гораздо проще в обслуживании и работают совершенно бесшумно.

Таким образом, по мнению зарубежных специалистов, топливные элементы способны вырасти в соперника ядерного реактора. Но прогнозы прогнозами, а что же практически сделано в этой новейшей области электроэнергетики, какие трудности стоят здесь перед учеными и конструкторами?

На суше, под водой и в космосе

С того момента когда первые топливные элементы вышли из стен исследовательских лабораторий и получили практическое применение, не прошло и десяти лет. Тем не менее за это время созданы такие образцы, которые довольно успешно конкурируют с другими источниками электроэнергии. Так, в армиях США и ряда других стран НАТО они используются для электропитания радиотехнических средств связи, электронных систем управления и наблюдения, средств инфракрасной техники, самодвижущихся орудий. Топливные элементы служат бортовыми источниками электропитания космических летательных аппаратов и некоторых боевых и специальных машин.

Основное внимание американские военные энергетики уделяют низкотемпературным водородо- воздушным топливным элементам. На рис. 13 показан переносный электрохимический агрегат такого типа мощностью 200 ватт. Горючим для него служит водород, получаемый из бор-гидрида натрия, а окислителем — воздух. Общий вес агрегата не превышает 11 килограммов. В печати отмечалось, что агрегат прост в обслуживании, так как почти не имеет вращающихся частей, бесшумен, компактен. Его используют в сухопутных войсках для электропитания аппаратуры и зарядки аккумуляторов.

^{Рис. 13. Переносный электрохимический агрегат мощностью 200 ватт}

Возможности водородо-кислородных элементов, отмечают специалисты, тесно связаны с источниками получения водорода. В связи с этим уделяется большое внимание разработке устройств, которые обеспечат получение водорода из распространенных топлив: гидразина, керосина, метана и других.

Разработанный фирмой «Шелл» электрохимический агрегат имеет мощность 5 киловатт и с запасом топлива на 12 часов непрерывной работы весит около 700 килограммов. Топливом для него служит метиловый спирт, из которого в специальном устройстве образуется водород, поступающий после очистки и охлаждения в батарею из топливных элементов. В качестве окислителя используется воздух.

Другой электрохимический агрегат такой же мощности разработан по заказу инженерного корпуса армии США. В его состав кроме топливных элементов входят водородный генератор и преобразователь постоянного тока напряжением 28 вольт в переменный ток 120 вольт. Вес агрегата 505 килограммов. Исходным топливом принят гидразин, а окислителем — воздух. Чистый водород получается из гидразина в водородном генераторе производительностью 4 куб. метра в час. Кислород добывается прямо из атмосферного воздуха, который сжимается, очищается от азота и углекислого газа и подается в топливные