Большая Советская Энциклопедия (ТО)

Большая Советская Энциклопедия

Топливный элемент

То'пливный элеме'нт, важнейшая составная часть электрохимического генератора , обеспечивающая прямое преобразование химической энергии (реагентов — топлива и окислителя) в электрическую. Основу Т. э. составляют два электрода, разделённые твёрдым или жидким электролитом (см. рис.). Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит — электрод в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления (см. Окисление-восстановление ). В результате этих реакций образуются ионы А^— и В⁺ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции AB ) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создаётся избыточный положительный заряд. При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Е_пол .

Суммарная реакция: А + В = AB + Q+ Е_пол . Электролит в Т. э. не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для эффективной работы Т. э. необходимы развитая поверхность электродов (до сотен м² на г вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.

Идея создания Т. э. была высказана в начале 19 в. английским физиком У. Р. Гровом, однако её практическая реализация осуществлена (почти одновременно в СССР, США, Франции и Великобритании) лишь в 60-х гг. 20 в. В середине 70-х гг. известно много Т. э. разных типов, различающихся рабочими температурами (от комнатной до 1200 К), а также видом используемого топлива (водород, водородсодержащие вещества, металлы и т.д.), окислителя (кислород, кислородсодержащие вещества, хлор и т.д.), катализатора (платина, палладий, серебро, никель, уголь и т.д.) и электролита (щёлочи или кислоты, твёрдые окислы металлов, расплавы солей, ионообменные полимеры и т.д.). Практическое применение получили главным образом Т. э., в которых в качестве топлива, окислителя и электролита используют соответственно водород, кислород и щёлочь (или ионообменный полимер). Такие Т. э. работают при невысоких температурах (до 100 °С), что обеспечивает им длительный (до нескольких тыс.ч ) ресурс работы; их рабочее напряжение ~1 в . Однако топливом в Т. э. принципиально может служить любое вещество, реагирующее при рабочей температуре с кислородом или галогенами. Перспективны Т. э. с прямым окислением углеводородов (пропана, бензина), спиртов, аммиака и т.д. Одна из основных проблем, стоящих на пути их создания, — разработка теории катализа и практических методов получения катализаторов, обладающих достаточной активностью и коррозионной стойкостью и не подверженных отравляющему действию продуктов реакции. См. также Грове элемент .

Лит.: Феттер К., Электрохимическая кинетика, пер. с нем., М., 1967; Фильштих В., Топливные элементы, пер. с нем., М., 1968; Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф., Перспективы и научные проблемы применения методов непосредственного получения электроэнергии из химических топлив, «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1973, № 2.

Н. С. Лидоренко, Г. Ф. Мучник.

Схема топливного элемента: 1 и 2 — полости с реагентами; 3 — электроды; 4 — электролит; А — окислитель; В — топливо; AB — продукты реакции; R — сопротивление нагрузки; I — электрический ток; Q — тепло, выделяющееся (поглощающееся) в результате реакции.

Топливо

То'пливо, горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в др. виды энергии. Для сжигания Т. служат различные технические устройства — топки , печи , камеры сгорания . Существует много горючих веществ, однако к Т. относят только те, которые достаточно широко распространены в природе, причём добыча их не связана с большими затратами, а продукты сгорания практически безвредны. Таким требованиям отвечают вещества, основная составная часть которых — углерод. К ним относятся полезные ископаемые органического происхождения — бурый уголь, горючие газы, горючие сланцы, каменный уголь, нефть, торф, а также древесина и растительные отходы (солома, лузга и др.). Исключение составляет Т. для ракетных двигателей (см. Ракетное топливо , Металлсодержащее топливо ).

В ядерной энергетике применяется понятие ядерного Т.— вещества, ядра которого делятся под действием нейтронов, выделяя при этом энергию в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов (см. Ядерное топливо ). Поэтому обычное химическое Т., в отличие от ядерного, называется органическим. Природное органическое Т. — основной источник теплоты, используемой человечеством (70-е гг. 20 в.). На сырье из природного Т. почти полностью базируется нефтехимическая промышленность (см. Основной органический синтез), производство смазочных материалов и т. д. (см. Нефтепродукты ).

Первоначально для получения теплоты (огня) пользовались главным образом растительным Т. (дровами и т. д.). Ископаемые Т. — уголь и нефть известны с древнейших времён, но лишь с середины 19 в. эти виды Т. стали вытеснять менее калорийные растительные Т., что имело большое значение для сохранения лесов (см. Охрана природы ).

Свойства Т. в значит, степени определяются их химическим составом (в % по массе). Содержащиеся в Т. химические элементы обозначаются соответствующими символами — С, Н, О, N, S; зола и вода — соответственно А и W. Влажность и зольность Т. даже в пределах одного его сорта подвержены значительным колебаниям, поэтому для уточнения характеристик часто используют составы Т., отнесённые не только к рабочей массе, то есть подаваемой в топку (обозначается индексом р), но и к сухой массе (с), горючей (г), органической (о). Например, обозначение С ^г– 91

показывает, что горючая масса данного Т. содержит углерода 91% (по массе). Важнейшая характеристика практической ценности Т. — теплота сгорания . Для сравнительных расчётов используется понятие топлива условного с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29308 кдж/кг ). Качество каменных углей характеризуется выходом летучих веществ V_л , переходящих в газо- или парообразное состояние при нагревании угля без доступа воздуха. При этом образуется нелетучий остаток, по свойствам которого судят о спекаемости данного угля, то есть его пригодности для коксования. Окисляемость Т. при обычных температурах определяет способы и сроки хранения Т.; при высокой окисляемости Т. могут самовоспламеняться. Способность Т. к самовоспламенению определяют температурой воспламенения. Жидкие Т., кроме того, характеризуются температурой вспышки (способностью смеси паров Т. с воздухом воспламеняться без загорания самой жидкости). Эта характеристика имеет определяющее значение при сжигании Т. в двигателях внутреннего сгорания. Возможность получения высоких температур при сжигании Т. зависит от жаропроизводительности T_a — максимальной температуры, теоретически достигаемой при полном сгорании Т. в воздухе, причём выделяемая теплота полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания. Механическая прочность твёрдого Т. имеет большое значение при перевозках его на дальние расстояния и многократных перегрузках. При сжигании Т. в виде пыли затрата энергии на пылеприготовление характеризуется размолоспособностью Т. При слоевом сжигании Т. большое значение имеет также его гранулометрический состав, т.е. содержание в Т. частиц различной крупности. В таблице приведены основные характеристики некоторых Т.

Основные характеристики некоторых топлив

Вид топлива	Состав, % (по массе)	Выход летучих Vл ,% (по массе)	Жаропроиз- водительность, Та , С	Теплота сгорания Qрн , Мдж/кг
	Wр	Aр	Cр	Hр	Sр	Nр	Oр
Дрова Фрезерный торф Бурый уголь (канско-ачинский) Каменный уголь (газовый донецкий) Антрацитовый штыб Мазут (высокосернистый) Бензин Природный газ	40 50 33 8 0,5 3 — —	0,6 6,3 6 23 23 0,1 — —	30,3 24,7 43,7 55,2 63,8 83 85 74	3,6 2,6 3 3,8 1,2 10,4 14,9 25	—0,1 0,2 3,2 1,6 2,8 0,05 —	0,4 1,1 0,6 1,0 0,6 — — 1,0	25,1 15,2 13,5 5,8 1,3 0,7 0,05 —	85 70 48 40 3,5 — — —	1600 1500 1800 2050 2150 2100 2100 2000	10,2 8,1 15,7 22 22,6 39,2 44 35,6*

* Теплота сгорания природного газа дана в Мдж/м³ .

Т. по агрегатному состоянию подразделяют на твёрдые, жидкие, газообразные; по происхождению — на природные (уголь, нефть и др.) и искусственные, получаемые в результате переработки природных Т. Например, качество твёрдого Т. может повышаться (без изменения его химического состава) брикетированием , обогащением, пылеприготовлением. Применяемый в доменном процессе кокс изготовляют нагреванием Т. (главным образом каменного угля) до 950—1050 °C без доступа воздуха (см. Коксование , Коксохимия ). Из жидкого природного Т. (нефти) нефтепродукты вырабатывают дистилляцией (см. Перегонка нефти ), крекингом , пиролизом . Последний — один из важнейших промышленных методов получения сырья для нефтехимического синтеза . Газообразное искусственное Т. получают из твёрдого и жидкого газификацией топлив (см. также Подземная газификация углей , Газы нефтепереработки ). О биохимической переработке раститительного Т. см. в ст. Гидролиз растительных материалов .

При современном уровне добычи (1975) разведанных запасов угля хватит на тысячи лет, прогнозных запасов нефти и газа при существующем уровне добычи — лишь на 100—150 лет, а с учётом роста темпов добычи эти запасы могут быть исчерпаны за 50—60 лет. Ограниченность ресурсов газа и нефти и значительное повышение их стоимости вызвали стремление к экономии ископаемого Т. и использованию для получения энергии др. источников (см. Теплоэнергетика , Гелиотехника , Ядерная энергетика , Энергетический кризис ).

Так как почти всё добываемое Т. сжигается (лишь около 10% нефти и газа потребляется в виде сырья), ежегодный выброс в атмосферу Земли веществ, образующихся при сжигании Т., достигает огромных количеств: золы около 150 млн. т , окислов серы около 100 млн. т , окислов азота около 60 млн. т , двуокиси углерода около 20 млрд. т. Для защиты окружающей среды разрабатываются различные методы улавливания вредных веществ из продуктов сжигания, а также такие способы сжигания, при которых эти вещества (окислы азота и CO) не образуются.