топливные элементы
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
устройства, вырабатывающие электрич. энергию за счет энергии окислительно-восстановит. реакций жидких или газообразных реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне. Являются химическими источниками тока непрерывного действия.
Т.э. протекают токообразующие электрохим. реакции: на отрицательном — с участием восстановителя (топлива), на положительном — с участием окислителя (чаще всего O2 или воздуха). Скорость поступления реагентов к электродам регулируется пропорционально токовой нагрузке, продукты токообразующей реакции непрерывно выводятся из Т. э. Таким образом, Т. э. способен работать практически неограниченное время, пока в него поступают реагенты и происходит отвод продуктов. Для обеспечения подачи реагентов и его регулирования, отвода продуктов и тепла требуются разл. вспо-могат. устройства; совокупность этих устройств и батареи Т.э. наз. электрохим. генератором.
В нач. 20 в. предполагалось создать Т. э. для прямого превращения энергии прир. видов топлива — прир. газа, нефтепродуктов или оксида углерода, получаемого газификацией углей (отсюда назв.), — в электрическую как альтернативу тепловым машинам, кпд которых ограничен вторым началом термодинамики. Задача оказалась трудной из-за инертности этих топлив к электрохим. реакциям. В 60-х гг. 20 в. были разработаны водородно-кислородные Т. э. с использованием щелочного раствора электролита (обычно 30–40 %-ный водный раствор КОН) и в качестве топлива-водорода высокой степени чистоты. Эти Т. э. (рабочая температура от 20 до 100 °C, в отдельных вариантах до 160 °C) предназначены для космич. кораблей, автономных устройств связи и т. д. В них используются т. наз. газодиффузионные электроды-пористые никелевые или угольные электроды с нанесенными катализаторами (дисперсные Pt, Ni, Ag и т. д.), которые, с одной стороны, контактируют с электролитом, с другой — с реагирующим газом. На отрицат. электроде водород электрохимически окисляется (H2 + 2OH− : 2H2O + 2е−), на положительном-восстанавливается кислород (1/2O2 + H2O + 2е− : 2OH−). Образующаяся вода поступает в электролит (что требует рециркуляции электролита и удаления воды с помощью внеш. устройств) либо испаряется с поверхности электродов (при рабочих температурах выше 60 °C). Эдс кислородно-водородной цепи при давлении газов 0,1 МПа (1 атм) и 25 °C равна 1,229 В, а при 100 °C равна 1,162 В; напряжение разомкнутой цепи около 1,1 В; номинальная плотн. тока 500–2000 А/м2 (катализатор-скелетный Ni), 4–8 кА/м2 (Pt). Срок службы водородно-кислородных элементов до 10 тыс. часов.
В дальнейшем началась разработка среднетемпературных (180–230 °C) Т.э. с фосфорнокислым электролитом и высокотемпературных Т. э. с электролитом в виде расплава разл. карбонатов (рабочая температура 600–700 °C) или с твердым оксидным электролитом (900–1000 °C). В отличие от Т.э. со щелочным электролитом, в последних вариантах м. б. использован техн. H2, получаемый паровой конверсией природного углеводородного топлива. На базе среднетемпературных Т.э. в США и Японии созданы опытные электростанции мощностью ок. 10 МВт.
Лит.: Багоцкий B.C., Скувдин А. М., Химические источники тока, М., 1981.
В. С. Багоцкий
