Электрохимические генераторы
В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую.
В конце XIX в. многие исследователи занимались проблемой создания топливных элементов, в которых непрерывно производился бы подвод топлива и окислителя, а отводились бы продукты реакции. Многим ученым удалось получить э. д. с., близкие к теоретическим значениям, но величины токов в топливных элементах, соответствующие им, были ничтожно малы. Чтобы увеличить скорость протекания реакции окисления топлива, приходилось повышать температуры до 700 – 1000° С, что вызывало сильную коррозию электродов и других деталей элементов.
В начале XX в., на фоне бурного развития двигателей внутреннего сгорания сложная проблема топливных элементов отошла на второстепенный план. Работы в этой области были возобновлены накануне второй мировой войны. В последнее время в связи с развитием космической техники и других специальных отраслей появилась острая потребность в автономных источниках электроэнергии, превосходящих по своим характеристикам существующие. Это послужило стимулом для развития топливных элементов, работающих на чистом водороде и кислороде с применением драгоценных металлов в виде катализаторов.
Создание промышленных дешевых топливных элементов, работающих на природном топливе и кислороде воздуха, остается пока довольно сложной научной и технической проблемой, решение которой позволит человечеству поднять на новую качественную ступень использование органического топлива (практически полного полезного использования химической энергии топлива) и во многом облегчить решение проблемы загрязнения окружающей среды.
Возникновение э.д.с. в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.
При опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSО4) происходят следующие явления, молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис. 2.10). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.
Наряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при достижении ими электрода в результате теплового движения.
По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрицательный потенциал электрода, препятствующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступит динамическое равновесие, т. е. два встречных потока ионов от электрода в раствор и обратно будут одинаковы. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.
Важное техническое приложение гальванические элементы нашли в аккумуляторах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике затруднено вследствие малого запаса активного химического горючего, не дающего возможности получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощность.
Большое внимание во многих странах мира уделяется установкам, осуществляющим непосредственное преобразование химической энергии органического топлива в электрическую энергию, – топливным элементам. В этих установках могут быть получены более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД электрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.
На рис. 2.11 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из воды атомы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН–. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Таким образом, при непрерывном подводе водорода и кислорода будет происходить непрерывная реакция окисления горючего ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а практически он равен 60 – 80%. Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности применении других видов топлива, в первую очередь природного и генераторного – газа, так как газ относится к дешевым видам топлива. Однако удовлетворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800 – 1200 К, что исключает применение в качестве электролитов водяных растворов щелочи. В этом случае могут быть использованы твердые электролиты с ионной проводимостью.
В настоящее время широко ведутся работы над созданием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивные усовершенствования топливных элементов в недалеком будущем могут сделать вполне возможным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономичны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.