Техника - молодёжи 1989-11, страница 62

Новые перспективы старых знакомых

Астемир САЛАМОВ,

кандидат технических наук

Пути развития энергетики обсуждаются сейчас очень горячо. Главные объекты дискуссий — тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих «фабрик электричества» имеет серьезные недостатки, из которых ныне на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб.

Каковы же альтернативы? Обычно считается, что в первую очередь это так называемые нетрадиционные ис точники энергии — солнечное излучение, ветер, приливы и т. д. Однако и у них есть важный недостаток: рассредоточен ность. И хотя их освоение надо всячески ускорять (а мы в этом отстаем от многих стран), трудно ожидать, что они быстро включатся в большую энергетику.

Но удивительное дело: кроме всех перечисленных, существует источник, о котором в дискуссиях почти не вспоминают. А ведь он был впервые реализован еще в 1800 году и лет семьдесят оставался единственным поставщиком электроэнергии. Если от потребителя до ближайшей ТЭС нередко десят ки и сотни километров, то разные виды этих источников мы найдем в каждом доме Притом их суммарная мощность при одновременном включении больше, чем у всех действующих в мире электростанций.

Видимо, читатели уже догадались, что речь идет действительно о «старых знакомых» — химических источниках тока Но если вспомнить хотя бы, как велика потребность в обычных батарейках или аккумуляторах, станет ясно, что ни о каком их «забвении» нет и речи. Годовой выпуск этих изделий в мире далеко превысил 10 млрд. единиц. Почему же тогда о них забывают в нынешних энергетических дискуссиях?

Дело в том, что единичные мощности химических источников тока (ХИТ) не идут ни в какое сравнение с мощностью самой маленькой ТЭС. Ведь когда речь заходит об энергоснабжении не слухового аппарата, а целого города, на первое место выступает экономика сколько стоит киловатт установленной мощности, киловатт-час получаемой электроэнергии? Вот здесь ХИТ и оказываются далеко позади. Но во всех ли случаях? Давайте разберемся.

Рис. 1. Первый в мире топливный элемент У, Гроува (1830-е годы).

ОСНОВЫ

В химическом источнике тока, то есть в устройстве прямого преобразования энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, процессы окисления и восстановления пространственно разделены. Основа любого ХИТ — два электрода, соединенные ионопроводящим электролитом. На аноде окисляется, то есть отдает электроны реагент-восстановитель, свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы — в электролит; с другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (поглощение электронов реагентом-окислителем) .

Хорошо известны два типа ХИТ: гальванические элементы и аккумуля торы. И те и другие содержат ограниченные количества реагентов и способны в одном рабочем цикле «выдать» лишь определенную порцию энергии. Однако есть и третий тип ХИТ, в котором окислитель н восстановитель не прерывно подаются соответственно к катоду и аноду, а материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ), потому что здесь восстановитель действительно служит топливом. В принципе этим топливом может стать любое «горючее», то есть хорошо окисляющееся вещество: водород, спирты, альдегиды, природный газ, различные продукты газификации угля и переработки нефти (в том числе обычный бензин) и даже металлы — цинк, магний и другие; окислителем же, кроме кислорода и кислородсодержащих веществ,— прежде всего галогены, но также и просто воздух, был бы только подобран подходящий катализатор (обычно платина, серебро, ни кель).

Одно из преимуществ химических источников тока перед тепловыми электростанциями и двигателями внутрен него сгорания — нет промежуточного преобразования химической энергии в тепловую, а значит, достижим существенно больший коэффициент преобразования энергии. Их КПД можно довести до 65% и выше. При этом экономичность батареи ТЭ не зависит от ее мощности.

Простейший топливный элемент предложил еще в 1830-х годах англий ский ученый У. Гроув. Топливом в нем был водород, окислителем — кислород электролитом — серная кислота, а реакции шли на электродах из платины,

Рис. 1. Первый в мире топливный элемент У, Гроува (1830-е годы).

которая служила и катализатором (рис. 1). Но гальванические элементы оказались намного дешевле и проще, а уж с появлением динамо-машин топливные элементы и вовсе сошли с магистрального пути электроэнергетики. Правда, за прошедшие годы интерес к ним несколько раз оживлялся.

Последнее «возрождение» топливных элементов началось, пожалуй, в 60-х годах, с их использования на борту космических кораблей. Американская корпорация «Юнайтед Текнолоджиз» затратила на разработку ТЭ по проекту «Аполло» 100 млн. долларов (мощ ность созданной бортовой установ ки — 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала уста новку мегаваттной мощности. А в на чале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонст рации преимуществ «нового» способа получения электроэнергии.

Действительно, этот способ не только высокоэффективен, бесшумен и «бездымен», но, кроме электроэнергии, позволяет получать и тепло. Правда, за снижение стоимости энергии здесь еще надо бороться. И хотя нью-йоркская станция так и не была пущена (об этом чуть позже), в целом ряде стран все активнее разрабатываются электростанции с топливными элементами (ЭСТЭ).

Основа современного топливного элемента — сосуд с электролитом (например, с фосфорной кислотой или рас плавленными карбонатами), в который погружены две пористые трубки, служащие электродами Через анод пропус

K0H4W

Рис. 2 Основные электрохимические процессы в топливном элементе.

60