Топливные элементы
В современной технике как источники электрического тока успешно используются топливные элементы. В них, при довольно низкой температуре, происходит преобразование химической формы энергии в электрическую, а ток возникает вследствие химического взаимодействия горючих веществ – водорода, бензина, дизельного горючего, угля, аммиака, металлов с разными окислителями, но чаще всего с кислородом.
Топливные элементы своим к.п.д. почти вдвое превышают уже давно существующие тепловые двигатели (паровые турбины, дизеля и т.п.). Кроме того, они не имеют подвижных частей, долговечны, работают без шума и не образовывают отравляющих выхлопных газов и копоти. В сравнении с гальваническими батареями, которые работают 12 ч, продолжительность работы топливных элементов достигает 100 ч.
Наибольшего распространения приобрели водородно-кислородные топливные элементы. Электроды для них изготовляют из каталитически активных металлов (губчатого никеля или платины – водородный электрод и активного серебра – кислородный), как электролит используют щелочь, или раствор кислоты. В этих топливных элементах катод омывает струя водорода, а анод – струя 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 получаются молекулы воды:
На аноде молекулы кислорода присоединяют электроны, которые двигаются по проводнику от катода, соединяются с молекулами воды, вследствие чего получаются гидроксид-ионы:
Наиболее перспективные области использования водородно-кислородных топливных элементов – транспорт, ядерная энергетика и гидроэнергетика. Так, при маленькой нагрузке электростанции (например, ночью, когда работает мало потребителей электроэнергии топливный элемент функционирует как электролизер – раскладывает воду и накапливает водород и кислород в газгольдерах высокого давления, которые запрятанные глубоко под землей. При перегрузке электростанции водородно-кислородный элемент сжигает сжатые водород и кислород, а итак работает уже как электрохимический генератор, то есть вырабатывает дополнительный электрический ток.
Водородно-кислородные топливные элементы широко применяются и в космической технике – на искусственных спутниках и кораблях. Они полностью обеспечивают потребность в электроэнергии для питания радио- и телеаппаратуры, приборов и бытовых потребностей космонавтов. Кроме того, для продолжительных полетов в космос незаурядного значения приобрели так называемые биохимические топливные элементы. В них окислительно-восстановительные преобразования осуществляются с помощью микроорганизмов, в результате чего и генерируется электрический ток. В земных условиях такие биоэлементы как горючее потребляют белки, жиры, крахмал, а также клетчатку (солома, листва, хворост и т.п.). В условиях космического полета в биоэлементах перерабатываются отходы человеческой жизнедеятельности, а вместе с тем образуются электрический ток, питьевая вода и безвредные побочные продукты (СО2, N2, соли и т.п.).
