Паливні елементи

У сучасній техніці як джерела електричного струму успішно використовуються паливні елементи. У них за досить низької температури відбувається перетворення хімічної форми енергії на електричну, а струм виникає внаслідок хімічної взаємодії горючих речовин – водню, бензину, дизельного пального, вугілля, аміаку, металів із різними окислювачами, але найчастіше з киснем.

Паливні елементи своїм ККД майже вдвічі перевищують вже давно існуючі теплові двигуни (парові турбіни, дизеля тощо). Крім того, вони не мають рухомих частин, довговічні, працюють без шуму і не утворюють отруйних вихлопних газів і кіптяви. Порівняно з гальванічними батареями, що працюють 12 год, тривалість роботи паливних елементів сягає 100 год.

Найбільшого поширення набули воднево-кисневі паливні елементи. Електроди для них виготовляють із каталітично активних металів (губчастого нікелю або платини – водневий електрод та активного срібла – кисневий), як електроліт використовують луг, або розчин кислоти. У цих паливних елементах катод омиває струмінь водню, а анод - струмінь кисню. Електричний струм генерується при безпосередньому контакті трьох фаз - газоподібної (водень, кисень), рідкої (луг або розчин кислоти) та твердої (матеріал електродів). На поверхні катода молекули водню втрачають свої електрони та з'єднуються з гідроксид-іонами лужного електроліту. При цьому виходять молекули води:

На аноді молекули кисню приєднують електрони, які рухаються провідником від катода, з'єднуються з молекулами води, внаслідок чого виходять гідроксид-іони:

Найбільш перспективні галузі використання воднево-кисневих паливних елементів – транспорт, ядерна енергетика та гідроенергетика. Так, при маленькому навантаженні електростанції (наприклад, вночі, коли працює мало споживачів електроенергії, паливний елемент функціонує як електролізер – розкладає воду та накопичує водень та кисень у газгольдерах високого тиску, які заховані глибоко під землею. При перевантаженні електростанції воднево-кисневий елемент спалює водень і кисень, отже працює вже як електрохімічний генератор, тобто виробляє додатковий електричний струм.

Воднево-кисневі паливні елементи широко застосовуються і в космічній техніці – на штучних супутниках та кораблях. Вони повністю забезпечують потребу в електроенергії для живлення радіо- та телеапаратури, приладів та побутових потреб космонавтів. Крім того, для тривалих польотів у космос неабиякого значення набули так звані біохімічні паливні елементи. Вони окислювально-відновні перетворення здійснюються з допомогою мікроорганізмів, у результаті і генерується електричний струм. У земних умовах такі біоелементи як пальне споживають білки, жири, крохмаль, а також клітковину (солома, листя, хмиз тощо). В умовах космічного польоту в біоелементах переробляються відходи людської життєдіяльності, а водночас утворюються електричний струм, питна вода та нешкідливі побічні продукти (СО₂, N₂, солі тощо).