ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
Инженер-подполковник И. ИСАКОВ
Интенсивное насыщение современных вооруженных сил сложной боевой техникой резко увеличило, особенно за последнее десятилетие, число потребителей электроэнергии. По свидетельству иностранных специалистов, уже сейчас войсковое электроснабжение выросло в серьезную проблему, поиски решения которой ведутся в двух основных направлениях. Первое состоит в совершенствовании энергетических устройств и агрегатов, приводимых в действие тепловыми двигателями различного типа: дизельными, карбюраторными, газотурбинными. Другое направление поисков — это попытки создать принципиально новые источники электроэнергии на основе последних достижений науки, а именно электрохимии. Посмотрим, какие же возможности этой отрасли химии обратили на себя внимание военных специалистов-энергетиков.
Расточительные посредники
Если задаться вопросом, откуда в технике берется энергия вообще, то окажется, что основной ее источник— различные виды топлива: дрова, уголь, нефть, газ. Вклад химической энергии топлива составляет при-
Мерно 97,5 процента от всей потребляемой на нашей планете энергии. А как она используется? Далеко не самым выгодным способом. Химическая энергия топлива превращается, например, в электрическую, так сказать, окольным путем, через посредников в виде энергии тепловой и механической. Вспомните: прежде чем тепловая электростанция даст ток, надо сжечь топливо и получить пар, который начнет вращать турбину, а та — электрогенератор. А такое посредничество накладно: даже наиболее совершенные тепловые электроэнергетические установки имеют коэффициент полезного действия не выше 45 процентов. Значит, больше половины энергии топлива буквально вылетает в трубу.
К главному изъяну подобных электроагрегатов добавляются еще и такие, как сложность устройства, громоздкость, недостаточная эксплуатационная надежность, шум, вибрации, тепловое излучение, сопровождающие их работу. Перечисленные недостатки органически связаны с многоступенчатым принципом получения электроэнергии. Пытаясь обойтись здесь без участия котла, цилиндра и турбины, специалисты обратились к электрохимии.
Как известно, в принципе получать электроток можно и прямо, непосредственно используя химическую энергию. Так, собственно, и происходит в обычных гальванических элементах, например в батарейках для карманного фонаря. Стоит лишь нажать кнопку, и электролампочка загорается. Устройство такого элемента несложно: две металлические пластины (их называют электродами) помещают в электролит, представляющий собой кислоту, щелочь или соль. Химические реакции, в которые вступают электролит и электроды, вызывают обмен электронами между металлом и электролитом. Если теперь соединить электроды проводом, то по нему потекут электроны — электрический ток. Так будет происходить непрерывно, пока идет химическая реакция.
Однако обычные гальванические элементы содержат ограниченное количество веществ, участвующих в реакции. Через некоторое время, когда они израсходуются, элемент прекращает давать ток. Вот почему все попытки усовершенствовать гальванические элементы, увеличить их мощность и продолжительность действия, не принесли существенного успеха.
Совершенно иные возможности открываются, если непрерывно пополнять убыль веществ, участвующих в реакции токообразования, и при этом использовать распространенные виды топлива. Такими источниками тока стали электрохимические генераторы, получившие название топливных элементов.
Надо сказать, что в общих чертах идея топливных элементов зародилась давно, более 100 лет назад. Однако осуществить ее оказалось гораздо сложнее, чем предполагали вначале. Лишь многолетнее развитие электрохимической теории, достижения металлургии, автоматики и других отраслей науки и техники позволили в последние годы создать топливные элементы, пригодные для практического использования.
Горение без пламени
Полыхает костер, бушует в печи пламя… Каждый повседневно встречается с таким горением и знает, что оно сопровождается высокой температурой. А химик добавит, что при подобном химическом горении происходит окислительно-восстановительный процесс между горючим веществом (топливом) и окислителем (кислородом). При этом атомы топлива окисляются, то есть теряют электроны, а атомы окислителя восстанавливаются — наоборот, приобретают электроны.
Такие окислительно-восстановительные процессы характеризуются случайным перемещением атомов и молекул окислителя и топлива, между которыми идет непрерывный обмен электронами. Что это значит с энергетической точки зрения?
Известно, что энергетический уровень атомов определяется строением их внешней электронной оболочки, которая может иметь определенное количество электронов. Атомы горючих и окислительных веществ имеют внешние оболочки, заполненные электронами не полностью. Если взять горючим водород, то у него на внешней оболочке «недостает» одного электрона, хотя оболочка позволяет иметь два. В атоме же окислителя — кислорода «не хватает» двух электронов (до восьми). Заполнение внешней оболочки электронами вызывает уменьшение энергетического уровня атома. Таким образом, обмен электронами между атомами топлива и окислителя в процессе горения можно рассматривать как переход электронов с высшего энергетического уровня на низший. А он сопровождается высвобождением энергии в виде тепла, которое, как уже было сказано, невозможно полностью обратить в полезную работу
Важно отметить и другое. Поскольку обмен электронами при химическом горении происходит хаотично — с различными скоростями и в различных направлениях, — возникновение электрического тока исключается. Тут, если так можно выразиться, идет процесс бесчисленного множества «коротких замыканий» между атомами и молекулами, имеющими различные электрические потенциалы.
Другое дело, если исключить хаотическое перемещение электронов, сообщить им направленное движение. Тогда энергия реакции почти полностью пойдет на образование электрической энергии. Химическое горение топлива с высокой температурой, таким образом, превратится в холодное, электрохимическое. В горение без пламени. Именно оно и используется в топливных элементах для получения постоянного электрического тока.
Топливный элемент во многом напоминает обычный гальванический: те же два специально обработанных металлических электрода, разделенные электролитом. Отличие в том, что к одному электроду топливного элемента непрерывно подводится топливо, а к другому — окислитель, и так, что исключена возможность их смешивания.
Рис. 11. Принципиальная схема устройства водородно-кислородного топливного элемента:
1 — корпус; 2 и 4 — выводы электродов; 5 — канал для подвода кислорода; 6 и 9 — электроды; 7 и 3 — каналы для электролита; 8 — изоляционная прокладка; 10 — канал для подвода водорода
Принципиальное устройство топливного элемента удобно проиллюстрировать на водородно-кислородном элементе (рис. 11). Пространство корпуса 1 разделяется электродами 6 и 9. По каналу 10 в пространство Н подается водород — топливо, а по каналу 5 в пространство О2 подается кислород — окислитель. Через каналы 7 и 5 пропускается электролит — концентрированный раствор едкого калия (КОН).
На кислородном электроде 6 кислород поглощается. В результате процессов его взаимодействия с водой, находящейся в электролите, и электронами из металла электрода образуются ионы гидроксильной группы ОН. Кислородный электрод, потерявший электроны и оказавшийся обедненный ими, принимает положительный потенциал.
На водородном электроде 9 поглощается водород. Он переходит из молекулярного состояния в атомарное. Поглощенные атомы ионизируются и переносятся в электролит, оставляя электроны на электроде. Водородный электрод оказывается обогащенным электронами и принимает отрицательный потенциал.
Суммарная реакция на кислородном электроде может быть представлена формулой:
O2 + 2Н2O + 4е— ? 4OН;
а на водородном электроде:
Н2 ? 2Н+ + 2е—
(знаком «е—» обозначены электроны).
Итак, на водородном электроде получается избыток электронов (отрицательный потенциал), а на кислородном— недостаток (положительный потенциал). Возникает разность так называемых равновесных потенциалов электродов, которая и составляет электродвижущую силу топливного элемента. Если подключить к электродам топливного элемента нагрузку, она получит электрическую энергию. Ток между электродами внутри элемента потечет за счет движения ионов, которые нарушат равновесное состояние среды и вовлекут в процесс ионизации топливо и окислитель.
В качестве топлива (горючего) вместо чистого водорода могут быть использованы вещества, богатые водородом: спирты, жидкие и газообразные углеводороды, гидразин, аммиак, гидриды некоторых металлов, муравьиная кислота и другие водородосодержащие вещества. Из окислителей помимо кислорода могут применяться перекись водорода, азотная кислота, галогены (галоиды).
Из-за того что поиск наиболее целесообразных и экономичных решений топливных элементов идет в электрохимии широким фронтом, появились различные их типы: например, низко-, средне- и высокотемпературные; с твердым, жидким и газообразным горючим; с водными электролитами (растворами щелочей и кислот), с расплавленными электролитами (солями), с твердыми электролитами.
Для практического применения топливные элементы составляются в блоки, а блоки — в батареи. Батареи оснащаются вспомогательными устройствами и компонуются в электрохимические агрегаты (рис. 12). Вспомогательные системы — это системы хранения и подачи топлива, окислителя, регулирования режима работы, отвода продуктов реакции, система охлаждения, распределительное устройство электрической энергии. Если потребителям электрической энергии требуется кроме постоянного тока еще и переменный или только переменный ток, то в состав электрохимического агрегата входит преобразователь тока.
Рис. 12. Электрохимический агрегат:
1 — капот; 2— топливный элемент; 3 — бак для водорода; 4 — бак для кислорода, 5 — основание агрегата; 6 — распределительная панель
Соперник ядерного реактора
Специалисты особо отмечают высокую экономичность топливных элементов. Ведь теоретически коэффициент их полезного действия достигает 85 и более процентов. Это в 2–3 раза выше, чем, скажем, у электромашинных агрегатов. Кроме того, подчеркивалось в печати, электрохимические агрегаты проще и удобнее в эксплуатации, чем другие источники электроэнергии. Они постоянно готовы к действию, не расходуют топлива при отключенной электрической нагрузке. При работе топливные элементы не создают вибраций, шума, не производят выхлопных газов и сильного тепловыделения, что облегчает их использование в герметизированных кабинах и помещениях.
Достоинства топливных элементов, успехи их практической разработки за последние годы сделали подобные устройства объектом повышенного внимания специалистов. Считают, что их создание представляет собой крупнейшее научно-техническое достижение после овладения атомной энергией, им прочат не меньшее будущее. Особенно много прогнозов высказывает буржуазная печать относительно перспектив военного применения новых источников электроэнергии. Это и не удивительно. Ведь милитаристские круги империалистических государств стремятся использовать прогресс науки и техники прежде всего именно в этих целях.
В недалеком будущем, указывают иностранные военные специалисты, мощность и продолжительность действия электрохимических агрегатов возрастут настолько, что они будут в состоянии заменить двигатели внутреннего сгорания боевых и транспортных машин, электромашинные агрегаты ракетных комплексов. В печати приводятся утверждения, что уже в начале 70-х годов появятся подводные лодки с электрохимическими силовыми установками. Не исключено, отмечает, например, журнал «Шиф унд Хафен», что в дальнейшем такие подводные лодки смогут успешно конкурировать с атомными подводными кораблями, так как будут обладать по сравнению с ними многими важными преимуществами. В отличие от ядерного реактора топливные элементы не несут с собой радиоактивной опасности, гораздо проще в обслуживании и работают совершенно бесшумно.
Таким образом, по мнению зарубежных специалистов, топливные элементы способны вырасти в соперника ядерного реактора. Но прогнозы прогнозами, а что же практически сделано в этой новейшей области электроэнергетики, какие трудности стоят здесь перед учеными и конструкторами?
На суше, под водой и в космосе
С того момента когда первые топливные элементы вышли из стен исследовательских лабораторий и получили практическое применение, не прошло и десяти лет. Тем не менее за это время созданы такие образцы, которые довольно успешно конкурируют с другими источниками электроэнергии. Так, в армиях США и ряда других стран НАТО они используются для электропитания радиотехнических средств связи, электронных систем управления и наблюдения, средств инфракрасной техники, самодвижущихся орудий. Топливные элементы служат бортовыми источниками электропитания космических летательных аппаратов и некоторых боевых и специальных машин.
Основное внимание американские военные энергетики уделяют низкотемпературным водородо-воздушным топливным элементам. На рис. 13 показан переносный электрохимический агрегат такого типа мощностью 200 ватт. Горючим для него служит водород, получаемый из бор-гидрида натрия, а окислителем — воздух. Общий вес агрегата не превышает 11 килограммов. В печати отмечалось, что агрегат прост в обслуживании, так как почти не имеет вращающихся частей, бесшумен, компактен. Его используют в сухопутных войсках для электропитания аппаратуры и зарядки аккумуляторов.
Рис. 13. Переносный электрохимический агрегат мощностью 200 ватт
Возможности водородо-кислородных элементов, отмечают специалисты, тесно связаны с источниками получения водорода. В связи с этим уделяется большое внимание разработке устройств, которые обеспечат получение водорода из распространенных топлив: гидразина, керосина, метана и других.
Разработанный фирмой «Шелл» электрохимический агрегат имеет мощность 5 киловатт и с запасом топлива на 12 часов непрерывной работы весит около 700 килограммов. Топливом для него служит метиловый спирт, из которого в специальном устройстве образуется водород, поступающий после очистки и охлаждения в батарею из топливных элементов. В качестве окислителя используется воздух.
Другой электрохимический агрегат такой же мощности разработан по заказу инженерного корпуса армии США. В его состав кроме топливных элементов входят водородный генератор и преобразователь постоянного тока напряжением 28 вольт в переменный ток 120 вольт. Вес агрегата 505 килограммов. Исходным топливом принят гидразин, а окислителем — воздух. Чистый водород получается из гидразина в водородном генераторе производительностью 4 куб. метра в час. Кислород добывается прямо из атмосферного воздуха, который сжимается, очищается от азота и углекислого газа и подается в топливные элементы. На базе этого агрегата создан опытный образец войскового электроподъемника, энергетическая установка которого состоит из восьми блоков по 5 киловатт каждый.
В печати сообщалось об исследованиях, связанных с созданием биохимического топливного элемента. Здесь в качестве исходного продукта для горючего могут применяться соки кокосового ореха, сахарного тростника, бананов, фруктов и даже обычных листьев и травы. С помощью биологического катализатора — особых бактерий— соки превращаются в муравьиную кислоту, которая используется как топливо. Такой элемент предназначен для использования в джунглях, вдалеке от баз снабжения. Указывалось, что он может работать в течение более 1000 часов, вырабатывая мощность до 380 ватт на килограмм веса.
В свое время в печати сообщалось, что американские специалисты предпринимали попытки использовать топливные элементы для энергоснабжения космических аппаратов. Так, космические корабли «Джемини» были оснащены водородо-кислородными элементами весом 65,7 килограмма. Их максимальная мощность достигала 2 киловатт. Известно, что в полете «Джемини-5» топливные элементы, однако, не полностью себя оправдали из-за неполадок и отказов вспомогательного оборудования.
Серия электрохимических агрегатов номинальной мощностью от 20 до 2500 ватт разработана во Франции. Топливные элементы этих агрегатов, указывалось в печати, по своим характеристикам несколько уступают американским. Например, вес агрегата мощностью 2500 ватт 500 килограмм, в то время как такой вес имеет американский агрегат мощностью 5000 ватт.
Зарубежные специалисты отмечают, что разработка и совершенствование электрохимических агрегатов сопряжены с весьма значительными технологическими и конструктивными трудностями. Они пока не дают возможности создать агрегаты достаточно большой мощности, пригодные, скажем, для замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее работы в этом направлении интенсивно ведутся в разных странах.
Еще сложнее построить энергетическую установку на топливных элементах для подводного корабля. Полагают, что мощность такой установки должна составлять не менее 1000 киловатт. Для сравнения укажем, что автомобилю грузоподъемностью около 1 тонны необходим электрохимический агрегат мощностью хотя бы 20 киловатт, то есть в 50 раз меньше. Сообщалось, что за разработку водородо-кислородных элементов специально для подводной лодки взялась шведская фирма ASEA. В качестве топлива выбран аммиак, окислителем служит жидкий кислород. Батарея из 200 отдельных блоков топливных элементов мощностью 1 киловатт каждый позволит, по мнению конструкторов, обеспечить подводное плавание корабля в течение месяца.
«Барьеры» применимости
Несмотря на свои заманчивые качества, топливные элементы все же не вышли пока еще из «младенческого возраста», их применение ограничено. Какие же «барьеры» мешают широкому использованию топливных элементов, успешной конкуренции с источниками электроэнергии других типов?
Конечно, как и всякое техническое средство, топливные элементы кроме достоинств имеют и недостатки, снижающие их «конкурентоспособность». К недостаткам топливных элементов относят, к примеру, то, что они вырабатывают лишь постоянный ток. Там, где требуется ток переменный, необходимо дополнительно иметь преобразователи постоянного тока в переменный. У топливных элементов напряжение зависит от величины потребляемого тока. Практически оно может падать до половины номинального. А это требует применения специальных устройств регулирования, дополнительных переключающих аппаратов. Наконец, для изготовления электродов топливных элементов требуются дорогостоящие и дефицитные материалы, такие, как платина, золото, палладий, серебро, используемые в качестве катализаторов химических реакций.
В области топливных элементов, отмечалось в печати, существуют и сложные, не решенные еще научные и инженерно-технические проблемы. В частности, указывают на так называемую проблему поляризации — изменения электрических потенциалов на электродах под влиянием прохождения постоянного тока, который вызывает изменения концентрации электролита, химического состава и поверхности электродов. Решение этой проблемы в конечном итоге сводится к получению высоких коэффициентов полезного действия, но до конца все факторы, определяющие поляризацию, еще не изучены.
С проблемой поляризации непосредственно связывают проблему электродов. Дело в том, что для того, чтобы быстро протекали электрохимические реакции, электроды, с одной стороны, должны обладать большой активностью и электропроводностью, а с другой — быть инертными по отношению к электролиту, топливу, окислителю и продуктам реакции. Помимо этого электроды должны сохранять свои физико-химические свойства, коррозионную и механическую стойкость в течение всего срока службы элемента, исчисляемого тысячами часов. Эти противоречивые требования пока еще весьма трудно выполнить.
Не менее сложной и трудной проблемой считают зарубежные специалисты подбор дешевых и распространенных видов топлива. Сейчас используют сравнительно дорогие виды топлива — чистый водород, гидразин, метанол, аммиак. Они-то в известной мере и сдерживают широкое применение топливных элементов.
И все же специалисты оптимистично смотрят на будущее топливных элементов, считают, что они определенно займут прочное место в малой энергетике. Ожидают, что в ближайшие годы единичная мощность электрохимических агрегатов будет интенсивно возрастать и к 1980 году может составить 1000 киловатт при эффективном КПД до 60 процентов, а стоимость одного киловатта мощности будет в два и более раз меньше, чем на электромашинных агрегатах.
Подобные прогнозы основаны на том, что электрохимия превращается в одну из важнейших отраслей химической науки. Ее последующие достижения действительно могут оказать большое влияние на развитие современной техники, а значит, и военного дела.