В. Жуков - Химия в бою
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 годов появятся подводные лодки с электрохимическими силовыми установками. Не исключено, отмечает, например, журнал «Шиф унд Хафен», что в дальнейшем такие подводные лодки смогут успешно конкурировать с атомными подводными кораблями, так как будут обладать по сравнению с ними многими важными преимуществами. В отличие от ядерного реактора топливные элементы не несут с собой радиоактивной опасности, гораздо проще в обслуживании и работают совершенно бесшумно.
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?
На суше, под водой и в космосеС 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.
Рис. 13. Переносный электрохимический агрегат мощностью 200 ваттВозможности 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.
В печати сообщалось об исследованиях, связанных с созданием биохимического топливного элемента. Здесь в качестве исходного продукта для горючего могут применяться соки кокосового ореха, сахарного тростника, бананов, фруктов и даже обычных листьев и травы. С помощью биологического катализатора — особых бактерий— соки превращаются в муравьиную кислоту, которая используется как топливо. Такой элемент предназначен для использования в джунглях, вдалеке от баз снабжения. Указывалось, что он может работать в течение более 1000 часов, вырабатывая мощность до 380 ватт на килограмм веса.
В свое время в печати сообщалось, что американские специалисты предпринимали попытки использовать топливные элементы для энергоснабжения космических аппаратов. Так, космические корабли «Джемини» были оснащены водородо-кислородными элементами весом 65,7 килограмма. Их максимальная мощность достигала 2 киловатт. Известно, что в полете «Джемини-5» топливные элементы, однако, не полностью себя оправдали из-за неполадок и отказов вспомогательного оборудования.
Серия электрохимических агрегатов номинальной мощностью от 20 до 2500 ватт разработана во Франции. Топливные элементы этих агрегатов, указывалось в печати, по своим характеристикам несколько уступают американским. Например, вес агрегата мощностью 2500 ватт 500 килограмм, в то время как такой вес имеет американский агрегат мощностью 5000 ватт.
Зарубежные специалисты отмечают, что разработка и совершенствование электрохимических агрегатов сопряжены с весьма значительными технологическими и конструктивными трудностями. Они пока не дают возможности создать агрегаты достаточно большой мощности, пригодные, скажем, для замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее работы в этом направлении интенсивно ведутся в разных странах.
Еще сложнее построить энергетическую установку на топливных элементах для подводного корабля. Полагают, что мощность такой установки должна составлять не менее 1000 киловатт. Для сравнения укажем, что автомобилю грузоподъемностью около 1 тонны необходим электрохимический агрегат мощностью хотя бы 20 киловатт, то есть в 50 раз меньше. Сообщалось, что за разработку водородо-кислородных элементов специально для подводной лодки взялась шведская фирма ASEA. В качестве топлива выбран аммиак, окислителем служит жидкий кислород. Батарея из 200 отдельных блоков топливных элементов мощностью 1 киловатт каждый позволит, по мнению конструкторов, обеспечить подводное плавание корабля в течение месяца.
«Барьеры» применимостиНесмотря на свои заманчивые качества, топливные элементы все же не вышли пока еще из «младенческого возраста», их применение ограничено. Какие же «барьеры» мешают широкому использованию топливных элементов, успешной конкуренции с источниками электроэнергии других типов?
Конечно, как и всякое техническое средство, топливные элементы кроме достоинств имеют и недостатки, снижающие их «конкурентоспособность». К недостаткам топливных элементов относят, к примеру, то, что они вырабатывают лишь постоянный ток. Там, где требуется ток переменный, необходимо дополнительно иметь преобразователи постоянного тока в переменный. У топливных элементов напряжение зависит от величины потребляемого тока. Практически оно может падать до половины номинального. А это требует применения специальных устройств регулирования, дополнительных переключающих аппаратов. Наконец, для изготовления электродов топливных элементов требуются дорогостоящие и дефицитные материалы, такие, как платина, золото, палладий, серебро, используемые в качестве катализаторов химических реакций.
В области топливных элементов, отмечалось в печати, существуют и сложные, не решенные еще научные и инженерно-технические проблемы. В частности, указывают на так называемую проблему поляризации — изменения электрических потенциалов на электродах под влиянием прохождения постоянного тока, который вызывает изменения концентрации электролита, химического состава и поверхности электродов. Решение этой проблемы в конечном итоге сводится к получению высоких коэффициентов полезного действия, но до конца все факторы, определяющие поляризацию, еще не изучены.
С проблемой поляризации непосредственно связывают проблему электродов. Дело в том, что для того, чтобы быстро протекали электрохимические реакции, электроды, с одной стороны, должны обладать большой активностью и электропроводностью, а с другой — быть инертными по отношению к электролиту, топливу, окислителю и продуктам реакции. Помимо этого электроды должны сохранять свои физико-химические свойства, коррозионную и механическую стойкость в течение всего срока службы элемента, исчисляемого тысячами часов. Эти противоречивые требования пока еще весьма трудно выполнить.
