Топливные элементы

Топливные элементы

Вот уже почти столетие ученые многих стран ищут пути прямого преобразования химиче­ской энергии дешевого топлива в электриче­скую. Создать топливные элементы оказалось чрезвычайно трудно. Во-первых, обычное топ­ливо так медленно поддавалось электрохими­ческому окислению, что о мало-мальски прием­лемой мощности не могло быть и речи. Во-вто­рых, топливные элементы были чрезвычайно недолговечными. Их свойства быстро ухудша­лись, электрические характеристики падали, и элементы теряли всякую работоспособность. До середины текущего столетия проблема созда­ния надежных и эффективных топливных эле­ментов многим казалась почти неразрешимой и бесперспективной.

Но энтузиасты-исследователи продолжали развивать теоретические основы электрохимии, они искали новые материалы и новые катали­заторы, и их исследования увенчались успехом. Теперь они говорят с полной уверенностью: проблема будет решена и решена сравнительно скоро. Об этом свидетельствуют новые образ­цы топливных элементов.

Как же они устроены?

Топливный элемент существенно отличается от обычного гальванического элемента старого типа. Топливо и окислитель, необходимые для электрохимической реакции, не закладываются в него заранее, а непрерывно подводятся к нему в процессе работы. Для удобства подвода ком­понентов желательно, чтобы они были в газо­образном или жидком состоянии. От тепловой Машины топливный элемент отличается тем, что окисление происходит в нем не химическим путем (путем горения), а электрохимическим.

При обычном химическом окислении элек­троны с молекул топлива переходят на частицы окислителя. Если бы этот переход был упорядо­чен, т. е. совершался преимущественно в одном направлении, мы получили бы электрический ток. Но в пламени частицы топлива и окисли­теля перемешаны и электронный переход совер­шается хаотично, во всех направлениях. Энер­гия процесса рассеивается в виде тепла.

Смысл электрохимического окисления как раз и заключается в упорядочении электронных переходов. Для этого прежде всего необхо­димо разделить частицы топлива и окислителя. Топливо и окислитель подводятся к электро­дам, на которых возможны электрохимиче­ские реакции выделения и присоединения электронов. Рассмотрим в качестве примера простейшую электрохимическую реакцию окис­ления водорода кислородом. Водород подводится к электроду, выбранному так, чтобы на нем могла протекать реакция окисления водорода с образованием водородных ионов и электронов:

 Другой электрод выбирается таким образом, чтобы на нем подаваемый кислород мог вос­становиться в воду:


Если соединить электроды металлическим про­водником (электрической цепью), то реакции на обоих электродах все время будут протекать слева направо. Образующиеся на первом элек­троде электроны по внешней цепи переходят на второй электрод — по цепи течет электри­ческий ток, совершающий электрическую рабо­ту. Электрическая цепь замыкается электроли­том, в котором образующиеся ионы водорода также переносятся ко второму электроду.

Необходимая для электрической работы энергия получается за счет энергии химиче­ского процесса. Суммарной химической реак­цией, протекающей на обоих электродах, яв­ляется реакция образования воды:

Сложность создания топливных элементов заключается в подборе электродов (и электро­лита), которые были бы достаточно активны. Для увеличения скорости электрохимических реакций, как и для реакций химических, часто используют катализаторы. Катализа­торы находятся на поверхности или в порах электродов; чтобы они не теряли свою актив­ность и служили как можно дольше, химики подвергают их специальной обработке.