Химия в бою
Шрифт:
(знаком «е—» обозначены электроны).
Итак, на водородном электроде получается избыток электронов (отрицательный потенциал), а на кислородном— недостаток (положительный потенциал). Возникает разность так называемых равновесных потенциалов электродов, которая и составляет электродвижущую силу топливного элемента. Если подключить к электродам топливного элемента нагрузку, она получит электрическую энергию. Ток между электродами внутри элемента потечет за счет движения ионов, которые нарушат равновесное состояние среды и вовлекут в процесс ионизации топливо и окислитель.
В качестве топлива (горючего) вместо чистого водорода могут быть использованы вещества,
Из-за того что поиск наиболее целесообразных и экономичных решений топливных элементов идет в электрохимии широким фронтом, появились различные их типы: например, низко-, средне- и высокотемпературные; с твердым, жидким и газообразным горючим; с водными электролитами (растворами щелочей и кислот), с расплавленными электролитами (солями), с твердыми электролитами.
Для практического применения топливные элементы составляются в блоки, а блоки — в батареи. Батареи оснащаются вспомогательными устройствами и компонуются в электрохимические агрегаты (рис. 12). Вспомогательные системы — это системы хранения и подачи топлива, окислителя, регулирования режима работы, отвода продуктов реакции, система охлаждения, распределительное устройство электрической энергии. Если потребителям электрической энергии требуется кроме постоянного тока еще и переменный или только переменный ток, то в состав электрохимического агрегата входит преобразователь тока.
Специалисты особо отмечают высокую экономичность топливных элементов. Ведь теоретически коэффициент их полезного действия достигает 85 и более процентов. Это в 2–3 раза выше, чем, скажем, у электромашинных агрегатов. Кроме того, подчеркивалось в печати, электрохимические агрегаты проще и удобнее в эксплуатации, чем другие источники электроэнергии. Они постоянно готовы к действию, не расходуют топлива при отключенной электрической нагрузке. При работе топливные элементы не создают вибраций, шума, не производят выхлопных газов и сильного тепловыделения, что облегчает их использование в герметизированных кабинах и помещениях.
Достоинства топливных элементов, успехи их практической разработки за последние годы сделали подобные устройства объектом повышенного внимания специалистов. Считают, что их создание представляет собой крупнейшее научно-техническое достижение после овладения атомной энергией, им прочат не меньшее будущее. Особенно много прогнозов высказывает буржуазная печать относительно перспектив военного применения новых источников электроэнергии. Это и не удивительно. Ведь милитаристские круги империалистических государств стремятся использовать прогресс науки и техники прежде всего именно в этих целях.
В недалеком будущем, указывают иностранные военные специалисты, мощность и продолжительность действия электрохимических агрегатов возрастут настолько, что они будут в состоянии заменить двигатели внутреннего сгорания боевых и транспортных машин, электромашинные агрегаты ракетных комплексов. В печати приводятся утверждения, что уже в начале 70-х
Таким образом, по мнению зарубежных специалистов, топливные элементы способны вырасти в соперника ядерного реактора. Но прогнозы прогнозами, а что же практически сделано в этой новейшей области электроэнергетики, какие трудности стоят здесь перед учеными и конструкторами?
С того момента когда первые топливные элементы вышли из стен исследовательских лабораторий и получили практическое применение, не прошло и десяти лет. Тем не менее за это время созданы такие образцы, которые довольно успешно конкурируют с другими источниками электроэнергии. Так, в армиях США и ряда других стран НАТО они используются для электропитания радиотехнических средств связи, электронных систем управления и наблюдения, средств инфракрасной техники, самодвижущихся орудий. Топливные элементы служат бортовыми источниками электропитания космических летательных аппаратов и некоторых боевых и специальных машин.
Основное внимание американские военные энергетики уделяют низкотемпературным водородо-воздушным топливным элементам. На рис. 13 показан переносный электрохимический агрегат такого типа мощностью 200 ватт. Горючим для него служит водород, получаемый из бор-гидрида натрия, а окислителем — воздух. Общий вес агрегата не превышает 11 килограммов. В печати отмечалось, что агрегат прост в обслуживании, так как почти не имеет вращающихся частей, бесшумен, компактен. Его используют в сухопутных войсках для электропитания аппаратуры и зарядки аккумуляторов.
Возможности водородо-кислородных элементов, отмечают специалисты, тесно связаны с источниками получения водорода. В связи с этим уделяется большое внимание разработке устройств, которые обеспечат получение водорода из распространенных топлив: гидразина, керосина, метана и других.
Разработанный фирмой «Шелл» электрохимический агрегат имеет мощность 5 киловатт и с запасом топлива на 12 часов непрерывной работы весит около 700 килограммов. Топливом для него служит метиловый спирт, из которого в специальном устройстве образуется водород, поступающий после очистки и охлаждения в батарею из топливных элементов. В качестве окислителя используется воздух.
Другой электрохимический агрегат такой же мощности разработан по заказу инженерного корпуса армии США. В его состав кроме топливных элементов входят водородный генератор и преобразователь постоянного тока напряжением 28 вольт в переменный ток 120 вольт. Вес агрегата 505 килограммов. Исходным топливом принят гидразин, а окислителем — воздух. Чистый водород получается из гидразина в водородном генераторе производительностью 4 куб. метра в час. Кислород добывается прямо из атмосферного воздуха, который сжимается, очищается от азота и углекислого газа и подается в топливные элементы. На базе этого агрегата создан опытный образец войскового электроподъемника, энергетическая установка которого состоит из восьми блоков по 5 киловатт каждый.