khimie.ru

Топливные элементы на кораблях «Аполлон» служили вполне надежно, однако специалисты и у них видели слабые места. Серьезный недостаток элементов бэконовского типа − довольно длительное время их запуска, что связано с необходимостью предварительного разогрева электролита. Хотелось также еще больше снизить вес батареи топливных элементов, увеличить продолжительность их работы. Поэтому были начаты исследования еще одного, третьего, типа водородно-кислородных топливных элементов с капиллярной мембраной.

Этот вариант как бы вобрал в себя достоинства первых двух типов. Отличие от элементов с ионообменными мембранами в том, что теперь мембрана сама неэлектропроводна и газопроницаема. И только после пропитки жидким электролитом (как и в бэконовских образцах электролитом служил раствор щелочи в воде) капиллярная мембрана может выполнять ту же роль, что и ионообменная мембрана,− роль квазитвердого электролита. Наилучшим материалом для нового типа мембран оказался тонкопористый асбест.

Капиллярная мембрана прекрасно работает в условиях невесомости. Электролит перемещается в ней главным образом за счет капиллярных сил_, поэтому работа элемента не зависит от силы тяжести.

Топливные элементы с асбестовой капиллярной мембраной разработала в США фирма «Аллис-Чалмерс». Ее сотрудники выдвинули ряд интересных идей по улучшению работы топливных элементов.

Так, к примеру, предложен оригинальный метод удаления воды. За водородным электродом поставили еще одну асбестовую диафрагму, названную водотранспортной мембраной. Ее пропитывают щелочью более высокой концентрации, чем щелочь для электролитной (основной) мембраны. В результате образующаяся вода испаряется с водородного электрода и попадает на водотранспортную мембрану, так как давление водяных паров над более концентрированной щелочью (физике это давно известно) ниже.

Вода постепенно снижает концентрацию щелочи во вспомогательной мембране. Однако этот процесс длится только до определенного предела: в нужный момент за водотранспортной мембраной открывается клапан и лишняя вода испаряется в вакуум, который в космосе, как говорится, всегда под рукой.

Была решена и проблема тепловыделения. Тепло отводилось излучением. Температура в батарее регулировалясь специальным механизмом, который открывал и закрывал жалюзи: так изменялись размеры излучающей поверхности, а с ними и количество сбрасываемого в космос тепла.

Топливные элементы с капиллярной мембраной не уступали бэконовским по коэффициенту полезного действия, при этом были легче и, что особенно важно, могли стабильно работать очень долгое время. Лишь спустя 4500 часов (полгода!) при длительных испытаниях элементов наблюдалось небольшое падение мощности.

Все эти труды исследователей, технологов, конструкторов (отработка разных типов топливных элементов) были не напрасны, а многолетнее опробование и совершенствование топливных элементов явно пошло им на пользу.

Удельная масса топливных элементов для программы «Аполлон» составила 40,4 килограмма на киловатт, а вот для программы «Оrbiter» она уже снизилась до 3,63 килограмма на киловатт. На усовершенствованных облегченных образцах надеются получить даже 1,82 килограмма на киловат.

Значительно снижена и удельная стоимость топливных элементов, которая составила в 1964 году примерно 225 долларов за киловатт («Аполлон»), 60 долларов для де­монстрационного образца по программе «Shuttle» (1974) и 20 долларов для программы «Оrbiter» (1977). Стоимость облегченных топливных элементов ожидается в будущем еще более низкой приблизительно на порядок…

Итак, в космосе топливный элемент нашел себе первое настоящее дело. И это сыграло важную роль: конструкция его непрерывно улучшалась. Можно сказать, что в космосе топливный элемент «окреп и возмужал». Теперь ему предстояло спуститься с небес на Землю, чтобы и здесь продемонстрировать все свои замечательные качества.