khimie.ru

Парадокс − сработанные только вчера и вчерне, еще не оперившиеся, не окрепшие (да что там − просто откровенно слабые), не обстрелянные, словно новобранцы перед сражением, топливные элементы должны были использоваться в космической технике, где к любой аппаратуре предъявляются сверхжесткие требования.

Первая очевидная трудность здесь − с нее начнем: в космос, кроме самой батареи топливных элементов, необходимо брать еще и топливо. Значит, дополнительная тяжкая ноша, которую надо забросить за пределы земной атмосферы.

В лес − со своими дровами? Да, пришлось на это пойти, хотя космос − в этом нет сомнений − обладает бессметными энергетическими сокровищами.

Но и этого мало: космический корабль необходимо было загрузить не только запасом топлива − водорода, но и окислителя − кислорода. Им пришлось бы снабдить и тепловую машину, если бы ее отправили в космос, по-скольку только в земных условиях двигатели внутреннего сгорания и им подобные устройства в качестве окислителя используют даровой кислород воздуха.

А теперь займемся подсчетами. Спросим себя, велик ли расход топлива и окислителя при работе топливных элементов? И сколько их нужно взять в космос?

Ответ получить несложно. Прежде всего, вспомним (школьные истины), что количество граммов вещества, численно равное атомному или молекулярному весу, называется соответственно грамм-атомом или грамм-молекулой и содержит 6∙10²³ атомов или молекул.

В топливном элементе водород, каждый его атом, превращаясь в ион, досылает во внешнюю цепь один электрон. Поэтому, когда прореагирует 1 грамм водорода (грамм-атом), по цепи пройдет ровно 6∙10²³ электронов, что эквивалентно 96 500 ампер-секундам (кулонам) или 26,8 ампер-часам. Такое количество электричества в честь Фарадея названо фарадеем и обозначается символом F.

Это события на водородном электроде. На кислородном же (в водородно-кислородном топливном элементе) каждая молекула кислорода захватывает 4 электрона. Поэтому для получения 1F электричества нужно затратить 1/4 моля кислорода, или, что то же, восемь граммов. Расход кислорода по весу получился в восемь раз больше расхода водорода.

Если обобщить наши рассуждения, то можно сказать, что для получения одного фарадея электричества из любого вещества надо затратить в электрохимическом устройстве М/n граммов этого вещества, где М означает молекулярный вес вещества, а n − число электронов, участвующих в окислении или восстановлении одной молекулы.

Вернемся теперь к основному вопросу − оценим расход топлива и окислителя не на определенное количество электричества, а на определенное количество электрической энергии, например на 1 киловатт-час. Здесь вновь придется вспомнить элементарную физику.

Количество выработанной электроэнергии − это произведение количества электричества на напряжение источника. Поэтому расход активных веществ зависит еще и от рабочего напряжения элемента: чем оно выше при одном и том же токе, тем меньше удельный расход активных веществ.

Если водородно-кислородный топливный элемент будет работать при напряжении 1 вольт, расход водорода в нем составит 37,3 г/кВт∙ч, а при напряжении 0,7 вольта − 53,3 г/кВт∙ч. Расход кислорода, как мы уже отмечали всегда в 8 раз больше расхода водорода.

Проведя аккуратно подобные оценки, можно получить такой конечный результат. На 1 киловатт∙час энергии в водородно-кислородном топливном элементе необходимо израсходовать около 0,5 килограмма горючего и окислителя. Таким образом, для энергоустановки космического корабля «Джемини», рассчитанной на выработку 200 киловатт-часов электроэнергии, необходимо было захватить в космос примерно 100 килограммов водорода и кислорода. Если учесть, что расчетный вес установки оценивался специалистами в 225 килограммов то, значит, половина этого веса приходилась на топливо и окислитель.

Это все теоретические оценки. А практика (технология) дела была такой. Газообразные водород и кислород заняли бы громадный, объем, поэтому они хранились в особых отсеках космического корабля в жидком состоянии. А это − новая проблема. Чтобы сохранить сжиженные газы длительное время (двухнедельный полет) с очень незначительными потерями на испарение, потребовалось создать специальные емкости.

Еще тонкость. Перед подачей в топливные элементы водород и кислород необходимо было в нужной дозировке превратить из жидкого состояния в газообразное. Для этого газы подогревались в специальном теплообменнике, где греющей средой являлся циркулирующий теплоноситель. И нагреть нужно было до строго определенной температуры − рабочей температуры топливных элементов. До рабочего значения доводилось (с помощью редукторов) и давление газа. Иначе из-за некондиционной температуры и давления газов топливные элементы могли «впасть в шоковое состояние.

Но все эти меры − лишь малая технологических трудностей, которые пришлось преодолеть для того, чтобы послать топливные элементы в космос.