khimie.ru

В современной технике начали успешно использовать новые источники электрического тока — топливные элементы. У них ток возникает вследствие химического взаимодействия горючих веществ — водорода, бензина, дизельного топлива, угля, природного газа, аммиака металлов с различными окислителями и часто с кислородом. Здесь мы имеем дело с прямым преобразованием химической формы энергии в электрическую. А поскольку эти процессы происходят при достаточно низкой температуре, то и получили они название «холодного горения».

Наибольшее распространение получили водородно-кислородные электрохимические генераторы. Электроды для них изготавливают из каталитически активных металлов (с губчатых никеля или платины — водородный электрод и активного серебра — кислородный), как электролит используют щелочь или раствор кислоты. В этих элементах катод омывается струей водорода, а анод — струей кислорода. Электрический ток генерируется при непосредственном контакте трех фаз — газообразной (водород, кислород), жидкой (щелочь или раствор кислоты) и твердой (материал электродов). На поверхности катода молекулы водорода теряют свои электроны и соединяются с гидроксид-ионами щелочного электролита. При этом образуются молекулы воды:

2Н₂ + 4ОН^— = 4Н₂О + 4е.

На аноде молекулы кислорода присоединяют электроны, движущиеся по проводнику от катода, соединяются в молекулами воды, вследствие чего образуются гидроксид-ионы:

О₂ + 4е + 2Н₂О = 4ОН^—.

Топливные элементы своим к.п.д. почти вдвое превышают уже давно существующие силовые установки и прежде тепловые двигатели (паровые турбины, дизели и т.д.). Кроме того, топливные элементы имеют достаточно простую конструкцию, в них нет движущихся частей, они долговечны, работают без шума и не образуют ядовитых выхлопных газов и копоти.

Топливные элементы уже успешно используют для питания переносных радиопередатчиков и радиолокационных устройств. Продолжительность работы таких источников тока достигает 100 ч, тогда как сухие гальванические батареи работают не более 12 час.

В американской космической технике — на искусственных спутниках и кораблях наряду с солнечными батареями и радиоизотопными источниками энергии широко применяются и топливные элементы. Это прежде всего уже известны водородно-кислородные электрохимические генераторы. Они полностью обеспечивают потребность в электроэнергии для питания радио- и телеаппаратуры, приборов и бытовых нужд космонавтов.

Для длительных полетов в космос немалое значение приобретут и так называемые биохимические топливные элементы. В них окислительно-восстановительные превращения осуществляются с помощью микроорганизмов, в результате чего и генерируется электрический ток. В земных условиях такие биоэлементы как топливо потребляют белки, жиры, сахара, крахмал, а также клетчатку (солому, листья, хворост и т.д.). В условиях космического полета в биоэлементах перерабатываться отходы человеческой жизнедеятельности, а вместо этого образуются электричество, питьевая вода и безвредные побочные продукты (углекислый газ, азот).

И перспективные области использования водородно-кислородных топливных элементов — транспорт, ядерная энергетика и гидроэнергетика. Так, при малой нагрузке электростанции (например, ночью, когда работает мало потребителей электроэнергии топливный элемент работает как электролизер — разлагает воду и накапливает водород и кислород в газгольдерах высокого давления, спрятанные глубоко под землей. При перегрузке электростанции водородно-кислородный элемент «сжигает» сжатые водород и кислород, а значит, работает уже как электрохимический генератор, то есть производит дополнительный электрический ток.