2.1. Водородно-кислородный элемент

Основа простейшего водородно-кислородного топливного

элемента — два электрода, на которых происходят электрохимические реакции ионизации газов. Электроды имеют вид тонких пористых дисков, получаемых прессованием и спеканием металлических порошков, чаще всего никелевого порошка. В электрод (либо в процессе изготовления, либо потом) введен катализатор. Электроды укрепляют в ячейке так, чтобы с одной стороны они соприкасались с раствором электролита. Края электродов тщательно герметизированы.

Через обратную сторону к электродам подаются газы: к одному — водород, к другому - кислород. Газы нагнетают под слегка повышенным давлением, так что они частично вытесняют электролит из пор электродов. Таким образом, внутри пористого электрода создаются участки контакта трех тел — твердого электрода, жидкого электролита и газообразного реагента (водорода или кислорода). Вблизи этих так называемых трехфазных границ раздела и происходит токообразующая электрохимическая реакция. От электродов ток с помощью специальных токоотводов отводится во внешнюю цепь.

Величина максимального разрядного тока элемента зависит прежде всего от величины поверхности электродов и от их каталитической активности. Для сравнения элементов разных размеров очень удобно рассчитать величину плотности электрического тока, т. е. тока, снимаемого с единицы поверхности электродов. Для водородно-кислородных элементов в зависимости от катализаторов и условий работы максимальная плотность тока может колебаться от 50 до 500 (и более) миллиампер на квадратный сантиметр поверхности электрода.

2.2. Электроды

Батарея водородно-кислородных элементов. Мощность ее 5 кВт. Для практического использования электрической энергии требуется, как правило, сравнительно высокое напряжение. Автомобильная аппаратура работает при напряжении в 12В, самолетная — в 28В. Чтобы получить такие напряжения, несколько элементов соединяют последовательно в батарею.

2.3. Высокотемпературные топливные элементы

Электрохимическое окисление топлива не всегда протекает гладко. Такие распространенные и дешевые виды топлива, как генераторный СО или природный газ СН4, реагируют на электродах значительно хуже, чем водород. Даже самые активные катализаторы лишь в незначительной степени ускоряют эти реакции. А малая скорость реакции означает меньшую величину плотности тока и, следовательно, малую мощность.

Возможность для проведения этих реакций с достаточной скоростью дает использования высоких температур, например 500° или даже 1000° Ц. Но тут возникает новая трудность: при высоких температурах вода испаряется мгновенно, водный раствор электролита оказывается неподходящим.

Электролитами могут служить либо расплавы солей (например, смесь углекислых солей натрия, калия и лития, плавящаяся при температуре чуть ниже 500° Ц), либо твердые электролиты.

Таким твердым электролитом может быть, например, двуокись циркония, содержащая некоторые примеси. При температурах около 800—1000° Ц благодаря подвижности отрицательных ионов кислорода О2 она начинает хорошо проводить электрический ток (катионы не перемещаются и ток не переносят), Наличие такой «кислородной» проводимости влияет на характер электрохимических реакций, протекающих на электродах. Если построить элемент описанного выше типа — вместо раствора КОН взять в качестве электролита двуокись циркония — и подводить к одному электроду окись углерода, а ко второму кислород, то при температурах около 1000° Ц молекулы кислородного электрода станут принимать электроны из внешней цепи, превращаясь в отрицательные ионы, а молекулы СО топливного электрода соединяются с ионами О2 из твердого электролита, образуя углекислый газ и отдавая электроны во внешнюю цепь:

Электрический ток во внешней цепи обусловлен переходом электронов от отрицательного (топливного) электрода к положительному (кислородному) электроду; этот ток компенсируется движением ионов О2 в твердом электролите в обратном направлении.

Такие высокотемпературные топливные элементы, питаемые генераторным газом и кислородом, могут работать при плотностях тока 50— 150 ма/см2, выдавая напряжение около 0,5 в на элемент.

Топливные элементы выходят из лабораторий, но предстоит большая работа по их усовершенствованию, повышению их стабильности и упрощению технологии их изготовления. Но уже можно сказать, что вопрос непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую принципиально решен, и в недалеком будущем различные типы топливных элементов найдут широкое применение.

Конечно, заманчивее всего было бы создать на базе топливных элементов большие электростанции, вырабатывающие электрическую энергию из природного топлива или продуктов его переработки. Основой таких электростанций явятся высокотемпературные топливные элементы с расплавленным или твердым электролитом. Топливом для элементов послужит либо природный газ, либо генераторный газ, получающийся при газификации твердого топлива. Твердое топливо при температуре около 700°Ц обрабатывают углекислым газом, в результате чего образуется окись углерода. Окись углерода поступит в топливный элемент, где окислится в углекислый газ:

2 СО + 02->2С02.

Электростанция будет состоять из большого количества совершенно одинаковых элементов, что значительно упростит ее строительство. На станции почти совсем не будет движущихся и вращающихся механизмов. Постоянный ток, вырабатываемый топливными элементами, поступит к мощным полупроводникам преобразователя, вырабатывающим почти без потерь переменный ток промышленной частоты.

Трудно сказать, сколько потребуется времени для осуществления этого, но несомненно, что когда-нибудь невыгодный процесс химического сжигания топлива будет заменен электрохимическим «холодным горением».

Топливные элементы найдут применение также в малой энергетике, и при этом раньше, чем в большой. В сельских районах перестанут стучать многочисленные «дизели», уступив свое место бесшумным электрохимическим установкам.

Очень интересна перспектива применения топливных элементов в автомобилях. Автомобили с электрическими двигателями, питаемыми от топливных элементов, не будут отравлять воздух городов вредными выхлопными газами. Создание различных топливных элементов электрохимия считает одной из своих важнейших задач. Ее успешное решение способно преобразить многие отрасли техники.