Для развития современных представлений о работе ТЭ большое значение имели исследования Ф. Бэкона в области среднетемпературных (423-523 К) водородно-кислородных –щелочных систем. Однако в настоящее время работы в этом направлении практически прекращены из-за сложных коррозионных и конструктивных проблем и сравнительно низких удельных характеристик среднетемпературных ЭХГ. В то же время продолжаются интенсивные исследования среднетемпературных ТЭ с кислым электролитом (серная, фосфорная кислоты), поскольку в них отсутствует проблема карбонизации электролита и могут быть использованы конвертированные водород и кислород воздуха.
Принципиальным преимуществом высокотемпературных ТЭ (рабочая температура более 573 К) является возможность окисления в них с приемлемыми скоростями дешевого топлива (углеводородов, спиртов, аммиака и т. п.) и кислорода воздуха. В качестве электролита в таких ТЭ используются расплавы карбонатов, а также смесь окислов циркония, кальция и иттрия в твердом состоянии. К сожалению, эти системы пока не поддаются технической реализации из-за высоких скоростей коррозии, трудностей с подбором материалов для изготовления электродов, конструктивных узлов, созданием электролита со стабильными характеристиками, отсутствия способа соединения твердых деталей, испытывающих термическое расширение.
Выбор топлива (восстановителя) и окислителя для ТЭ определяется типом и назначением ТЭ и предъявляемыми к нему требованиями. ЭДС, удельная мощность и энергия ТЭ возрастает с увеличением потенциала окислителя в сторону положительных значений и потенциала восстановителя в сторону отрицательных значений. Удельная энергия ТЭ возрастает с увеличением удельной емкости (количества энергии, высвобождаемой при электрохимическом превращении единицы массы вещества) окислителя и восстановителя. Удельная мощность ТЭ в значительной степени зависит от электрохимической активности восстановителя и окислителя, т. е. скоростей их электрохимического превращения на электродах. Целесообразность использования того или иного реагента в ТЭ также зависит от стоимости и доступности этого реагента.
При разработке электродов для различных типов ТЭ необходимо учитывать особенности их эксплуатации. Как уже отмечалось, электродные процессы при работе ТЭ включают: диффузию реагирующих частиц к месту реакции; адсорбцию реагирующих частиц; электронный переход; промежуточные химические реакции; отвод продуктов реакции. Помимо обеспечения эффективного протекания всех упомянутых стадий электрод должен быть стабильным при длительной работе и хранении, обладать механическими свойствами, позволяющими использовать его в соответствующей конструкции.
Другие типы ТЭ.
Могут быть использованы и твердые электролиты – вещества, обладающие ионной проводимостью, имеющие ионное строение. Перемещение ионов в них происходит из-за имеющихся в кристалле участков с минимумом потенциальной энергии (потенциальных ям), куда могут попадать колеблющиеся около своих положений равновесия ионы. В освободившийся узел кристаллической решетки (дефект) может перейти другой ион, соответственно ион передвинется на его место. С ростом температуры вероятность перехода ионов и дефектов в кристаллической решетке растет. При наложении электрического поля хаотическое движение ионов и дефектов принимает направленный характер: ионы и дефекты движутся в разных направлениях.
Электролиты в таких ТЭ обладают приемлемой электрической проводимостью лишь при 1200 К и выше, поэтому ТЭ с твердыми электролитами работают обычно при 1200-1300 К. В высокотемпературном ТЭ в качестве горючего может применяться не только водород, но и углеводороды, например метан или пропан.
Эффективное применение ТЭ.
В настоящее время принципиально доказана возможность непосредственного превращения некоторых видов топлива в ТЭ и их химической энергии в электрическую с практическим КПД до 75-90%. Но возникает обратная задача: окисляя на аноде какое – либо органическое вещество, например тот же углеводород или неорганические соединения, получать не только электроэнергию во внешней цепи, но и продукт, представляющий самостоятельную ценность. Таким путем можно получать различные органические и неорганические соединения не только без затрат электрической энергии, но даже с попутным получением ее. О принципиальной возможности решения этой проблемы свидетельствует простейший пример работы ТЭ на основе водорода и кислорода. При работе такого элемента, как мы видели, продуктом реакции, в результате которых во внешней цепи ТЭ образуется электрический ток, является вода. В некоторых случаях, например в условиях космических полетов, этот процесс может оказаться исключительно полезным, так как наряду с электрической энергией, необходимой для питания систем корабля, можно непрерывно получать пригодную для питья воду. Исследования топливных элементов системы «Джеминай» в США, предназначенных для космических кораблей, показали, что при мощности элемента 2 квт будет образовываться 0,453 кг воды на 1 квт×ч выработанной электроэнергии.
В топливном элементе одновременно с электроэнергией можно получить и ряд ценных органических соединений. Например, если взять два пористых угольных сосуда, погрузить их в крепкий раствор щелочи и затем через поры одного из этих сосудов пропускать воздух, а другого – изопропиловый спирт, то спирт будет окисляться до ацетона (когда угольные сосуды короткозамкнуты). Чтобы окисление спирта на аноде подобного ТЭ протекало с большей скоростью, на пористый угольный сосуд предварительно наносят катализатор (порошкообразные родий и платину), а температуру раствора поддерживают около 70оС. В таком топливном элементе спирт «сгорает» до ацетона с выходом около 100%, а во внешней цепи элемента течет ток силой 0,35-0,5А.
Для получения в топливном элементе кетонов можно использовать более простое и дешевое сырье – углеводороды.
Топливные элементы имеют важные достоинства, обеспечивающие им широкую перспективу использования. По сравнению с гальваническими элементами топливные элементы имеют более высокие мощности и энергии, приходящиеся на единицу веса.
Отсутствие движущихся частей и, соответственно, бесшумность, а также компактность топливных элементов обеспечивают им широкую перспективу применения в военной технике и подводном флоте.
Список использованной литературы.
1. Э.Э. Шпильрайн, А.П. Севастьянов «Электрохимические генераторы и фотоэлектрические преобразователи». Москва 1985г.
2. Н.В. Коровин, Э.Л. Филиппов «Электрохимические процессы». Москва 1973г.
3. А.И. Левин «Теоретические основы электрохимии». Издательство «Металлургия» Москва 1972г.
4. Н.П. Федотьев, А.Ф. Алабышев «Прикладная электрохимия». Издательство «Химия» Ленинградское отделение 1967г.