Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

непосредственно в электрическую за счет электрохимического окисления обычного топлива, называют топливными элементами. История их разработки полна взлетов и падений, восторгов и разочарований.

В настоящее время лучше всего разработаны низкотемпературные, топ-в этих элементах служит

водород, а окислителем — кислород.

В таком элементе в электрическую энергию превращается та часть химической энергии, которая освобождается при окислении водорода до воды. Часть эта не так уж мала - около 90 процентов! Электроды в элементе сделаны из платины или из угля, пропитанного катализатором; электролитом служит раствор щелочи — гидрат окиси калия. В других конструкциях электролит заменен ионообменной мембраной, она является проводящей средой между электродами. Водородно-кислородный топливный элемент служит, кроме того, источником питьевой воды: воду, образующуюся в результате реакции в элементе, можно собирать в количестве примерно литр на 2 киловатт-часа выработанной энергии. К сожалению, водород пока не очень доступен, и водородно-кислородные топливные элементы еще очень дороги. Применяют их пока в особых случаях, например в космических аппаратах.

Водородно-кислородный элемент служил в качестве главного источника электрической энергии, на космических кораблях типа «Аполлон», летавших на Луну. Весил элемент, обеспечивающий корабль энергией в течение одиннадцати суток полета, около 250 килограммов. Если бы для такой цели использовался обычный электромеханический генератор электрической энергии, его масса составляла бы несколько тонн.

Создание топливного элемента оказалось нелегким делом. Насколько просты на первый взгляд происходящие в нем реакции, настолько сложно его устройство. Ученым и конструкторам приходится решать подчас сложные проблемы тонкого баланса реакции на трехфазной границе, проблемы тепло- и массопередачи, водного баланса. И тем не менее реальность топливного элемента продемонстрирована, и сейчас электрохимики всего мира изыскивают способы уменьшить его стоимость и увеличить экономическую целесообразность его использования. Особенно сложна проблема катализаторов, которые позволили бы использовать в топливных элементах обычное топливо — уголь, нефть, газ. Как бы то ни было, топливные элементы вполне могут стать конкурентоспособными и занять важное место среди других источников энергии.

Специалисты полагают, что радикальным решением проблемы электромобиля может оказаться применение топливных элементов в комбинации с аккумуляторами. Даже сейчас замена обычного двигателя электрогенератором с батареей из топливных элементов, включающим преобразователь топлива и свинцовый аккумулятор для запуска и пиковых нагрузок, хотя и увеличит массу автомобиля на 300 килограммов, зато вдвое повысит эффективность использования топлива по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и почти на 50 процентов — по сравнению с дизельными.

Трудностей в создании топливного элемента для электромобиля еще много. «Если бы мы имели источники тока, которые весили бы 5 килограммов на киловатт пиковой мощности и 3—5 килограммов на киловатт-час энергии, то техническая проблема их использования в электромобиле, по-видимому, была бы решена,— говорил А. Н. Фрумкин.— На сегодня мы имеем характеристику в 2—3 раза хуже. Но ведь в 3 раза — не в 100 раз хуже! Эта проблема будет решена».

Для большой энергетики перспективнее высокотемпературные топливные элементы (200—1000 °С). В качестве топлива они могут потреблять синтетические продукты — метанол, гидразин, а также каменный уголь. Энергоустановка должна состоять из батареи топливных элементов и установок для подготовки топлива (если будет использован уголь, понадобится генератор для получения окиси углерода). Несмотря на низкий КПД установок переработки топлива, общий КПД всей станции может достигнуть 40 процентов, что уже намного лучше КПД современных электростанций. Кроме того, при этом на 20 процентов сократится расход топлива на выработку того же количества электроэнергии.

Окисление и восстановление

«Любая самая отвлеченная наука видит оправдание своего существования в надежде оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной»,— говорил Оствальд, и эти его слова целиком применимы к современной химии. За какие-нибудь два столетия она приобрела такое большое значение в жизни общества, что можно было бы подумать, будто химики нашли наконец «философский камень», который тщетно искали их предшественники алхимики, и с его помощью создают теперь ежегодно сотни новых веществ, определяющих прогресс промышленности, сельского хозяйства и медицины. Кого теперь удивишь таким известным и, казалось, старым производством, как производство хлора и едкого натра!

Но электролиз хлоридов еще долго будет в числе важнейших промышленных методов: продукты этого производства — хлор, едкий натр (каустическая сода) и водород являются ценным сырьем для химической промышленности. Хлор идет на производство отбеливателей (хлорной извести и тому подобных веществ), соляной кислоты, многих органических растворителей; он является исходным сырьем для производства пластических масс, синтетических волокон, продуктов сельскохозяйственной химии, для дезинфекции (хлорирование воды). Каустическая сода тоже используется при производстве пластмасс и синтетических волокон, а также инсектицидов, глицерина, продуктов целлюлозно-бумажной промышленности.

Производство хлора и щелочи исчисляется ежегодно десятками миллионов тонн, и на него расходуется около 100 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Почти весь хлор—99 процентов! — производится электрохимическим способом. Этот традиционный для электрохимии способ производства постоянно совершенствуется. Когда-то, например, при электролизе рассолов поваренной соли применялись ртутные катоды, но с увеличением цен на ртуть выгоднее стал диафрагменный электролиз. На смену графитовым анодам пришли более стойкие аноды, содержащие окислы титана, рутения и других элементов. Их применение повысило стабильность электролиза, чистоту продуктов и снизило энергоемкость процесса.

Такова судьба наиболее крупного электрохимического производства —технического способа электролиза хлоридов, запатентованного еще в 1879 г. русским изобретателем Николаем Гавриловичем Глуховым и его сотрудником Федором Ващуком.

Свободный фтор был получен в 1886 г. французским химиком Анри Муассаном (1852—1907). Получил Муас-сан его электролизом расплавленных солей фтористоводородной кислоты, и с тех пор электрохимический метод остался единственным способом производства этого самого активного из неметаллических соединений.

Фтор идет на производство растворителей, смазочных масел, стойких пластмасс. Используют его также и как окислитель жидкого ракетного топлива. Обогащать урановое топливо невозможно без шестифтористого урана, получаемого из электролизного фтора.

Электрохимическим путем получают не только галоиды— хлор и фтор. Электролиз боратов дает нам бор, необходимый для изготовления износостойкой стали и мелкозернистых цветных металлов, абразивных материалов, защиты от нейтронного излучения.

Ценнейший химический продукт водород, широко используемый в металлургии — для прямого восстановления руд, в химии—для производства аммиака, удобрений, синтетических волокон, моющих средств, в машиностроении и строительстве — для сварки и резки металлов, получают в основном при конверсии природных газов и при производстве хлора и других окислителей.

Электролизом воды, а точнее, растворов щелочей для получения водорода пользуются только там, где имеется дешевая электроэнергия, хотя преимущества такого способа получения водорода были ясны еще в 1888 г., когда русский физик и электротехник Дмитрий Александрович Лачинов (1842—1902) разработал первый электролизер Электролитический водород не содержит никаких примесей и каталитических ядов, поэтому он был бы очень хорош как топливо, особенно в топливных элементах.

Считается, что получение кислорода