ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Предисловие к русскому изданию из "Топливные элементы" Приятно отметить, что есть по крайней мере одна большая общечеловеческая задача, над которой сообща интенсивно работают все передовые страны, — обеспечение будущей потребности человечества в источниках энергоснабжения после того, как истощатся запасы используемого сейчас природного топлива. В послевоенный период усилия сначала сосредоточивались на извлечении энергии при процессах делення и синтеза атомов, происходящих с изменением массы в соответствии с соотношением Эйнштейна Е = тс . [c.7] Меньшую гласность получили попытки совершенствовать обычные способы преобразования энергии в целях повышения к. п. д., отказавшись от окольных путей. Прямое преобразование энергии не является принципиально новой идеей. Прямое превращение тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Зеебека и частично обратимые процессы охлаждения и нагревания, осиованр1ые на эффекте Пельтье, известны уже почти 150 лет. На техническую разработку различных способов прямого преобразования энергии в 1963 г. было выделено свыше 100 млн. долл., причем ведущее место среди этих методов занимает непосредственное преобразование химической энергии в электрическую с помощью топливных элементов. [c.7] В области прямого превращения химической энергии в электрическую только в 1882 г. появилась количественная теория Гельмгольца, и следствия этой теории остаются верны до настоящего времени. [c.7] И если сегодня, в 70 годовщину со дня рождения идеи топливного элемента, электрическая энергия производится все же преимущественно принципиально менее выгодным необратимым путем, то к этому следует отнестись критически, если мы хотим добиться прогресса в будущем. Оглядываясь назад, мы можем сказать, что Оствальд и Нернст слишком далеко опередили свое время. Они не имели еще пи теоретических, ни экспериментальных, ни технологических средств для решения этой большой задачи. Им недоставало детальных знаний по катализу, которые мы, получили благодаря развитию современной химической промышленности. Не было в их распоряжении и современных материалов, как металлов, так и пластмасс, а гакже очень мало было известно о методах спекания. Лишь современная электроника дала нам методы измерений для точных исследований элементарных процессов на электродах. Наконец, мы нр можем сегодня даже представить себе, как можно глубоко понять энергетическую проблему без знания квантовой теории, разработка которой была начата Планком на два десятилетия позже. Препятствием было к то, что у исследователей в то время господствовал индивидуальный метод работы. Несмотря на свою гениальность, они не могли справиться с задачей, стоящей на стыке нескольких областей знаний, для этого необходима организованная совместная работа ученых разных специальностей. Например, в нашей группе работали, кроме электрохимиков и физиков, также специалисты в области математики, пластмасс, электроники, химической технологии и электротехники. Наконец, несколько десятилетий назад наука считалась более или менее личным делом или прихотью и в связи с этим мало финансировалась. Лишь недавно в передовых индустриальных странах стали считать такие научные те.мы важнейши.ми национальными задачами и хорошо финансировать их. Кроме того, методы прямого превращения энергии получили в последние годы неожиданно сильный толчок в связи с тем, что такие источники необходимы для космических полетов. [c.8] Результатом первого десятилетия наших исследований и разработки на их основе электрохимического генерирования м аккумулирования электрической энергии было издание в 1959 г. Академией наук и литературы в Майнце монографии Высокоактивный водородный диффузионный электрод для работы при температуре окружающей среды и низком давлении , написанной нами с сотрудниками Пилькуном и Шайбе. В ней мы опубликовали во всех подробностях наши исследования по двухскелетным катализаторным ДСК-электродам. Пожалуй, можно утверждать, что эти исследования проведены при больших затратах труда и средств, а также на более высоком теоретическом, экспериментальном и технологическом уровне, чем все предыдущие отдельные исследования. Критики также отмечают, что практически важные результаты не замалчиваются, а публикуются для использования в лабораториях всех стран. Эта монография очень быстро разошлась, и авторы считают большой честью, что вскоре появились русский и американский переводы. Досадно лишь, что оба перевода были сделаны с первого издания в то время, когда уже подготавливалась рукопись второго, улучшенного и дополненного издания. [c.9] Наша вторая монография вышла под названием Холодное сжигание— топливные элементы в издательстве Штейнера в Висбадене Б 1962 г. [c.9] В нее вошла большая часть первого издания, посвященная водородным ДСК-анодам, а также добавлена новая глава (гл. VIH), в которой впервые описаны успешно нами проведенные работы над конструкцией и технологией изготовления кислородных ДСК-катодов с катализатором преимущественно из серебра Ренея и опорным скелетом из карбонильного никеля. Указаны специфические трудности, такие как выбор методов размола, активации и неотравляющегося катализатора, а также осложнения при подборе опорного скелета, которые, учитывая диаграмму состояния системы серебро — алюминий, удается преодолеть методом горячего прессования. Совместные испытания этих кислородных (воздушных) катодов и водородных анодов в водородно-кислородных ячейках дополнили ранее полученные результаты испытаний водородных анодов. Для более полного изложения материала во вводной главе (гл. I) новой монографии приводится подробная классификация всех видов топливных элементов. Глава II содержит краткое описание нашей ДСК-системы для тех читателей, которые не пожелают читать более подробное детальное изложение. В главе IX собраны подлинные доклады важнейших исследовательских групп, работающих в настоящее время в области топливных элементов. [c.9] Нашими нынешними знаниями основ электрохимического генерирования энергии мы обязаны таким выдающимся ученым, как А. Н, Фрумкин, Я. Гейровский и М. Фольмер. Исследования В, С, Багоцкого, Г. А. Богдановского, А. И, Шлыгина, О. К. Давтяна и И. Г. Гуревича также всемирно известны. Авторы надеются, что русское издание этой монографии будет содействовать совместной работе выдающихся электрохимиков вашей страны над этой важной для всего человечества проблемой и этим способствовать ее решению. [c.10] Введение. Непосредственное превращение химической энергии в электрическую как часть проблемы высокоэффективные способы преобразования энергии . [c.15] В последние годы все более возрастает интерес к проблеме высокоэффективные способы преобразования энергии , воз- шкшей на стыке физики, химии и техники. Существо этой проблемы заключается в непосредственном, т. е. без промежуточных стадий, преобразовании одного вида энергии в другой при полном исключении из процесса такого вида энергии, как механическая. К рассматриваемым способам относятся, например, основанное на термоэлектрическом эффекте Зеебека непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую, прямое получение холода из электроэнергии при помощи обратного предыдущему эффекта Пельтье, прямое получение электрической энергии из световой в фотоэлементах и, наконец, непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую в так называемом топливном элементе. [c.15] Все эти физические явления и процессы в принципе уже давно известны и относятся к обычным методам получения эиергии. В отличие от атомного реактора, в котором энергия получается как результат перехода одной формы материи в другую, рассмотренные выше методы характеризуются уже переходом одной формы энергии в другую согласно первому закону термодинамики. [c.15] В средней строке схемы наглядно изображен принцип работы топливного элемента прямого действия, предложенный уже в 1894 г. Оствальдом [4]. Ниже объясняется, почему этот метод, в принципе позволяющий почти полностью преобразовать химическую энергию угля А в электрическую Э, оказался слишком дорогим для обычной техники. [c.17] Нижняя строка поясняет работу топливного элемента косвенного действия. Такой элемент работает не на первичном топливе — угле, нефти или природном газе, а на специальных, пригодных для электрохимического сжигания в элементе топливах, например легко окисляющихся газах (Нг или СО) и жидкостях (спирт и др.). Как видно из схемы, при преобразовании первичного топлива во вторичное, например газификации угля, теряется некоторая часть энергии. [c.17] Это определение не является абсолютно точным, так как, во-первых, оно справедливо также и для живых организмов (животных и людей), а во-вторых, не распространяется на регенеративные элементы (см. фиг. 8а и разд. 1.61), подчиняющиеся циклу Карно. 0, 1нако оно является простым и практически удобР1ым. [c.18] Процессы, происходящие как в элементе Лекланше, так и в топливном элементе, можно также определить предложенным нами термином холодное горение , получившим распространение во всем мире [5]. Действительно, батарейка карманного фонаря не нагревается при работе, так как в пей вместо теплоты Т образуется электроэнергия Э. Правда, в отношении топливного элемента этот термин довольно идеа-/ лизирован, так как при работе элемента, кроме электроэнергии Э, неизбежно образуется теплота Т она представляет собой тепло Джоуля или энергию поляризации. Однако даже топливный элемент, преобразующий лишь 49% химической энергии А в электроэнергию 5 и 51% в теплоту Т, является прогрессом по сравнению с обычной электростанцией, которая превращает в электроэнергию Э лишь немногим более 30% теплоты сгорания топлива Т. Поэтому при определении топливного элемента не сказано образуется главным образом электрическая энергия ,, так как в случае повышения нагрузки на топливный элемент и снижения его к. п. д. с 50,1 до 49,9% определение теряло бы смысл. [c.18] Поскольку происходящее почти без потерь непосредственное преобразование теплоты сгорания топлива в электрическую энергию идентично получению электроэнергии за счет химической энергии топлива в гальваническом элементе, то можно легко определить э. д. с. и к. п. д. такого элемента. [c.18] Из вышесказанного можно сделать практический вывод, что водородно-кислородный топливный элемент, в котором идет реакция Нг -Ь /зОг = Н2О, для получения оптимальных характеристик — максимального напряжения и к. п. д. — должен работать при возможно более низкой температуре. [c.21] Вернуться к основной статье