История открытия топливного элемента

Основные даты:

1838 Проведено первое систематическое научное исследование по эффекту топливного элемента/ячейки;

1845 Изобретен первый топливный элемент/ячейка (H₂SO₄ + платиновые электроды, H₂ и O₂);

1896 Разработан первый топливный элемент/ячейка для домашнего использования;

1921 Разрабатывается первый топливный элемент/ячейка на расплаве карбоната;

1930-e Исследуются топливные элементы/ячейки со щелочным электролитом;

1962 В США и Нидерландах развиваются исследования технологии твердых оксидов.

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский физик Вильям Гроув в 1839 г. исследовал электролиз воды в растворах серной кислоты на платиновых электродах, собирая водород и кислород в стеклянные сосуды. Отключив электролизер от внешнего источника тока и замкнув электроды, ученый обнаружил, что объем выделившихся газов в сосудах уменьшается, а в цепи вырабатывается электрический ток. Очевидно, Гроув реализовал гальванический элемент с двумя газовыми электродами и кислотным электролитом:

(–) (Pt) H₂ | H₂SO₄ | O₂ (Pt) (+).

Вильям Гроув (1811–1896)

Позднее, в 1842 г., Гроув изобрел прообраз ТЭ с электродами из платиновой фольги, покрытой слоем губчатой платины и H₂SO₄ в качестве электролита. Эту систему ученый использовал уже как ХИТ для электрохимического разложения H₂O (рис. 4).

Рис. 4. Оригинальный гальванический элемент Гроува

Термин «топливный элемент» (Fuel Cell, FC) был предложен в 1889 г. английскими химиками Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, которые изучали возможность практического применения открытия Гроува, используя в качестве окислителя воздух, а в качестве восстановителя – различные виды топлива, в том числе метан.

Людвиг Монд (1839–1909)

Большую роль в судьбе топливных элементов сыграл немецкий ученый Вильгельм Фридрих Оствальд, всемирно известный организатор и первый президент Немецкого электрохимического общества. В 1894 году на одном из первых собраний этого общества Оствальд произносит речь во славу топливных элементов: «Я не знаю, достаточно ли ясно представляют себе, сколь несовершенен для нашего времени высоко развитой техники важнейший источник энергии, которым мы сейчас пользуемся, — паровая машина...»

Вильгельм Оствальд (1853–1932)

В то время еще господствовали пар и уголь, и на тепловых электростанциях КПД достигал только 10 процентов.

В. Оствальд продолжал: «...Путь, которым можно решить самый важный из всех технических вопросов — вопрос получения дешевой энергии, должен быть теперь найден электрохимией. Если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию непосредственно из угля и кислорода воздуха в количестве, более или менее соответствующем теоретическому, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины... Как будет устроен такой гальванический элемент, в настоящее время можно только предполагать... В таком элементе происходили бы те же самые химические процессы, что и в обычной печи: с одной стороны засыпался бы уголь, с другой — подавался кислород, а удалялся бы продукт их взаимодействия — углекислота... Только подумайте, как изменятся индустриальные районы! Ни дыма, ни сажи, ни паровых машин, никакого огня…»

Оствальд предсказал топливным элементам великое будущее и выдвинул идею использования топливных элементов для крупномасштабной генерации электроэнергии с использованием угля в качестве восстановителя. Однако реализовать эту идею на практике не удалось до сих пор.

В конце 1930х начинается работа над топливными элементами со щелочным электролитом и к 1939 году построен элемент, использующую никелированные электроды под высоким давлением. В ходе Второй Мировой Войны разрабатываются топливные элементы для подлодок британского флота и в 1958 году представлена топливная сборка, состоящая из щелочных топливных элементов диаметром чуть более 25 см.

В 1950х и 1960х годах одна из самых ответственных задач для топливных элементов родилась из потребности Национального управления по аэронавтике и исследованиям космического пространства США (NASA) в источниках энергии для длительных космических миссий. Щелочной топливный элемент NASA использует в качестве топлива водород и кислород, соединяя эти два химических элемента в электрохимической реакции. На выходе получаются три полезных в космическом полете побочных продукта реакции – электричество для питания космического аппарата, вода для питья и систем охлаждения и тепло для согревания астронавтов.

Интерес еще сильнее возрос в 1980е, когда промышленный мир пережил нехватку нефтяного топлива. В этот же период мировые страны также озаботились проблемой загрязнения воздуха и рассматривали способы экологически чистого получения электроэнергии.

В настоящее время технология производства топливных элементов (ячеек) переживает этап бурного развития.

Дата добавления: 2015-05-09