Одними из альтернативных источников тока являются топливные элементы. Впервые о них заговорили в середине XIX в., когда в основном была завершена теория гальванического элемента. В России первый ТЭ был предложен П. Н. Яблочковым в 1878 г. Топливный элемент относится к химическим источникам тока и представляет собой гальванический элемент, в котором химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя преобразуется электрохимическим путем непосредственно в электрическую энергию. Другими словами, в ТЭ электрическая энергия получается за счет реакции окисления - восстановления топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода).
Электрохимический генератор
Это элемент длительного действия, и непрерывность его работы обеспечивается в результате как непрерывного подвода к соответствующим электродам восстановителя и окислителя, между которыми находится электролит, так и своевременного вывода продуктов реакции и поддержания на должном уровне температуры и напряжения. Основное отличие реакции, происходящей в топливных элементах, от реакции окисления при горении заключается в том, что в ТЭ разность энергий электронов у исходного вещества и продуктов реакции непосредственно превращается в электрическую энергию, а не переходит в энергию броуновского теплового движения молекул, как при горении.
Объединение в одной установке батареи ТЭ, системы переработки и подвода топлива и окислителя, системы вывода продуктов реакции, системы терморегулирования, системы автоматики и ряда других устройств носит название электрохимического генератора (ЭХГ).
Топливные элементы классифицируются по многим признакам, в числе которых одними из главнейших являются агрегатные состояния горючего и электролита. В соответствии с этим в зависимости от агрегатного состояния горючего различают твердые, жидкостные и газовые ТЭ, а в зависимости от агрегатного состояния и вида электролита различают элементы с водными электролитами (растворы кислот и щелочей) и элементы с расправленными и твердыми электролитами - вещества, обладающие ионной проводимостью и имеющие ионное строение.
В результате электрохимических процессов, происходящих в ТЭ, образуются продукты реакции, влияющие на состав электролита и активность электродов, а также приводящие к разбавлению реагентов в электродных камерах. Стабильная работа ТЭ требует непрерывного отвода реагентов и обеспечения контроля состава электролита или характеристик элементов, на которые влияют продукты реакции. При работе ТЭ выделяют теплоту, которая растет с увеличением силы тока, и его с соответствующей скоростью необходимо отводить. Топливные элементы, входящие в ЭХГ, могут применяться в качестве энергетических установок для транспортных и передвижных машин и аппаратов.
Топливные водородные элементы
По рабочей температуре ТЭ подразделяются на низкотемпературные (ниже 100°С), среднетемпературные (100-250 °С) и высокотемпературные (выше 450- 500 °С). В низкотемпературных топливных элементах в качестве электролитов используются водные растворы щелочей или кислот, а в качестве реагентов (топлива и окислителя) - лишь те, которые обладают высокой активностью (гидразин, водород и др.).В среднетемпературных ТЭ для предотвращения кипения раствора электролита либо применяют высококонцентрированные растворы кислот и щелочей, либо создают высокое давление реагентов. В высокотемпературных топливных элементах в качестве электролита используются либо расплавленные соли в виде смесей карбонатов калия, натрия и лития, либо твердые электролиты.
В ТЭ в качестве топлива можно использовать не только водород, но и углеводороды, например метан или пропан. Несомненным достоинством подобных элементов является отсутствие вредных отходов. Электродвижущая сила топливных элементов определяется природой реакции, температурой и концентрацией (давлением) реагирующих веществ и продуктов реакции. Обычно напряжение на выводах элемента не превышает 1 В. К. п. д. ТЭ теоретически близок к единице, а практически колеблется от 40 до 70 %. Ресурс ТЭ составляет несколько тысяч ч.
В электрохимическом генераторе батарея ТЭ состоит из набора элементов, соединенных последовательно, параллельно или смешанно. ЭХГ вырабатывают электроэнергию по мере подвода окислителя и восстановителя. Поэтому такие генераторы должны иметь систему подачи реагентов. При необходимости топливо и окислитель перед поступлением в батарею топливных элементов подвергаются обработке, включающей очистку, превращение в электрохимически активные реагенты и т. п.
|
|
