 |
 |
|
 |
|
|
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
важнейшая составная часть электрохимического генератора (См. Электрохимический генератор), обеспечивающая прямое преобразование химической энергии (реагентов — топлива и окислителя) в электрическую. Основу Т. э. составляют два электрода, разделённые твёрдым или жидким электролитом (см. рис.). Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит — электрод в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления (см. Окисление-восстановление). В результате этих реакций образуются ионы А— и В+ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции AB) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создаётся избыточный положительный заряд. При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Епол. Суммарная реакция: А + В = AB + Q+ Епол. Электролит в Т. э. не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для эффективной работы Т. э. необходимы развитая поверхность электродов (до сотен м2 на г вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.
Идея создания Т. э. была высказана в начале 19 в. английским физиком У. Р. Гровом, однако её практическая реализация осуществлена (почти одновременно в СССР, США, Франции и Великобритании) лишь в 60-х гг. 20 в. В середине 70-х гг. известно много Т. э. разных типов, различающихся рабочими температурами (от комнатной до 1200 К), а также видом используемого топлива (водород, водородсодержащие вещества, металлы и т.д.), окислителя (кислород, кислородсодержащие вещества, хлор и т.д.), катализатора (платина, палладий, серебро, никель, уголь и т.д.) и электролита (щёлочи или кислоты, твёрдые окислы металлов, расплавы солей, ионообменные полимеры и т.д.). Практическое применение получили главным образом Т. э., в которых в качестве топлива, окислителя и электролита используют соответственно водород, кислород и щёлочь (или ионообменный полимер). Такие Т. э. работают при невысоких температурах (до 100 °С), что обеспечивает им длительный (до нескольких тыс.ч) ресурс работы; их рабочее напряжение ~1 в. Однако топливом в Т. э. принципиально может служить любое вещество, реагирующее при рабочей температуре с кислородом или галогенами. Перспективны Т. э. с прямым окислением углеводородов (пропана, бензина), спиртов, аммиака и т.д. Одна из основных проблем, стоящих на пути их создания, — разработка теории катализа и практических методов получения катализаторов, обладающих достаточной активностью и коррозионной стойкостью и не подверженных отравляющему действию продуктов реакции. См. также Грове элемент.
Лит.: Феттер К., Электрохимическая кинетика, пер. с нем., М., 1967; Фильштих В., Топливные элементы, пер. с нем., М., 1968; Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф., Перспективы и научные проблемы применения методов непосредственного получения электроэнергии из химических топлив, «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1973, № 2.
()
Н. С. Лидоренко, Г. Ф. Мучник.
0218847203.tif
Схема топливного элемента: 1 и 2 — полости с реагентами; 3 — электроды; 4 — электролит; А — окислитель; В — топливо; AB — продукты реакции; R — сопротивление нагрузки; I — электрический ток; Q — тепло, выделяющееся (поглощающееся) в результате реакции.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое
преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое
происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два
важных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель
поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в
процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в
перезарядке.
См. также <<БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ>>.
Принцип действия. Топливный элемент (рис. 1) состоит из двух
электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один
электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов
реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции
используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент
соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.
Эти элементы непрерывно снабжаются кислородом и водородом для получения
электрической энергии в результате постоянно поддерживающейся химической
реакции.
В изображенном на рис. 1 топливном элементе с кислым электролитом водород
подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры
в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на
атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному
электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может
быть описан следующими уравнениями:
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне
элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также
реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении
его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи,
образуется вода:
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это
концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные
химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии
катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH-) с
образованием воды и электрона:
На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите,
и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций
образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила O2H-). Результирующую
реакцию на катоде можно записать в виде:
Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в
электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет
электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции
превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой
постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство
реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи
или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.
Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей
природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в
котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит
электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов
процесс может быть обращен - приложив к электродам напряжение, можно
разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на
электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку,
такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем
нормальном режиме.
Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими.
Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или
батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.
Типы топливных элементов. Существуют различные типы топливных
элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу,
рабочему давлению и температуре, по характеру применения.
Элементы на водородном топливе. В этом типичном описанном выше
элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые
углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается
в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и
высоком давлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое
при переработке углеводородного топлива, например природного газа или
нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое
применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные
энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый
элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами.
Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при
нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными
мембранами (рис. 2). В этих элементах вместо жидкого электролита между
электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно
проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться
воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый
электролит и может быть легко удалена.
также работает на водороде и кислороде, но вместо жидкого электролита
используется полимерная мембрана.
Элементы на углеводородном и угольном топливах. Топливные элементы,
которые могут превращать химическую энергию таких широко доступных и
сравнительно недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт,
керосин или бензин, непосредственно в электричество, являются предметом
интенсивного исследования. Однако пока не достигнуто заметных успехов в
создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из
углеводородного топлива, при нормальной температуре.
Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива
приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Электролитами
служат расплавы карбонатов или других солей, которые заключаются в
пористую керамическую матрицу. Топливо "расщепляется" внутри элемента с
образованием водорода и оксида углерода, которые поддерживают протекание
токообразующей реакции в элементе.
Элементы, работающие на других видах топлива. В принципе реакции в
топливных элементах не обязательно должны быть реакциями окисления обычных
топлив. В перспективе могут быть найдены и другие химические реакции,
которые позволят осуществить эффективное непосредственное получение
электричества. В некоторых устройствах электроэнергия получается при
окислении, например, цинка, натрия или магния, из которых изготавливаются
расходуемые электроды.
Коэффициент полезного действия. Превращение энергии обычных топлив
(угля, нефти, природного газа) в электричество было до сих пор
многоступенчатым процессом. Сжигание топлива, позволяющее получить пар или
газ, необходимые для работы турбины или двигателя внутреннего сгорания,
которые, в свою очередь, вращают электрический генератор, - процесс не
очень эффективный. Действительно, коэффициент использования энергии такого
превращения ограничен по второму закону термодинамики, и его вряд ли можно
существенно поднять выше существующего уровня (см. также <<ТЕПЛОТА>>;
<<ТЕРМОДИНАМИКА>>). Коэффициент использования энергии топлива самых
современных паротурбинных энергетических установок не превышает 40%. Для
топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента
использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70%
энергии топлива непосредственно превращается в электричество, и
энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из
углеводородного топлива, проектируются на КПД 40-45%.
Применения. Топливные элементы могут в недалеком будущем стать
широко используемым источником энергии на транспорте, в промышленности и
домашнем хозяйстве. Высокая стоимость топливных элементов ограничивала их
применение военными и космическими приложениями.
Предполагаемые применения топливных элементов включают их применение в
качестве переносных источников энергии для армейских нужд и компактных
альтернативных источников энергии для околоземных спутников с солнечными
батареями при прохождении ими протяженных теневых участков орбиты.
Небольшие размеры и масса топливных элементов позволили использовать их
при пилотируемых полетах к Луне. Топливные элементы на борту трехместных
кораблей "Аполлон" применялись для питания бортовых компьютеров и систем
радиосвязи. Топливные элементы можно использовать в качестве источников
питания оборудования в удаленных районах, для внедорожных транспортных
средств, например в строительстве. В сочетании с электродвигателем
постоянного тока топливный элемент будет эффективным источником движущей
силы автомобиля.
Для широкого применения топливных элементов необходимы значительный
технологический прогресс, снижение их стоимости и возможность эффективного
использования дешевого топлива. При выполнении этих условий топливные
элементы сделают электрическую и механическую энергию широко доступными во
всем мире.
См. также <<ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ>>.
ЛИТЕРАТУРА
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М., 1981
Кромптон Т. Источники тока. М., 1985, 1986 |
| Бренан - Словарь научной грамотности |
Электромеханическое устройство, в котором энергия химической реакции между каким-либо топливом (например, водородом) и окислителем (например, жидким кислородом) превращается непосредственно и непрерывно в электрическую энергию.
Топливный элемент - вид аккумулятора, разработанный для программы освоения космоса. Дополнительное достоинство применения топливных элементов состоит в том, что при их работе образуется вода. Топливные элементы могут быть чистыми, не загрязняющими среду источниками двух важнейших составляющих пилотируемого полета в космос - электричества и воды. Технология производства таких элементов пока не позволяет широко использовать их для получения энергии на Земле. |
| Научнотехнический Энциклопедический Словарь |
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ для непосредственного превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию. Соответственно сконструированные электроды погружаются в ЭЛЕКТРОЛИТ, и топливо (например, водород) подается к одному, а окислитель (например, кислород) к другому электроду. Происходит окисление топлива и возникает электрический ток. Такие топливные элементы используются на космических летательных аппаратах.
Топливный элемент производит электричество вследствие реакции топлива и окислителя, но в отличии от батарейки, элемент и его электроды заряда не имеют. Водород как топливо, накачивается через отрицательно заряженный электрод в раствор — электролит, — где он вступает в реакцию с заряженными частицами — ионами с выделением воды. На положительно заряженном электроде кислород восстанавливает ионы так, что между электродами возникает непрерыв ный поток электронов, что создает разность потенциалов, напряжение в цепи, соединяющей электроды через тяговый двигатель. Такой топливный элемент может использоваться для привода автомобилей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
