Среди перспективных проблем энергетики важное место занимают проблемы непосредственного (безма - шинного) преобразования химической энергии природ­ных или синтезированных видов топлива в электричес­кую энергию. Актуальность этой проблемы очевидна, ес­ли учесть, что в настоящее время около 90% всей полез­ной энергии (электрической и механической) получается из тепловой энергии природного топлива, средний коэф­фициент преобразования которой в энергоустановках не превышает 25%. Известно, что КПД непосредственного преобразования химической энергии в электрическую в современных химических источниках тока в 2—3 раза больше указанного, однако энергия этих устройств огра­ничена конструктивным запасом активных материалов в них. Поэтому исследования, имеющие целью повыше­ние среднего коэффициента использования топлива при непрерывном процессе генерирования, экономически перспективны.

Имеется также ряд специфических эксплуатационных областей и условий, при которых затруднена или отсут­ствует возможность реализации обычных машинных схем преобразования (например, автономная эксплуатация энергетических устройств в условиях невесомости, отсут­ствия кислородсодержащей атмосферы, схемы автоном­ного электродвижения, требования экологии и др.); в этих областях схемы прямого преобразования уже се­годня оказываются предпочтительнее классических. Наи­более разработанными устройствами, реализующими схему непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, являются гальванические ба­тареи и аккумуляторы. Запас реагентов (окислителя и горючего) в них содержится в самой конструкции, что определяет ограниченный запас их энергосодержания. Эксплуатационные преимущества этих конструкций поэ­тому проявляются лишь при коротких отрезках времени энергообеспечения, где высокий КПД, являющийся до­стоинством схемы непосредственного преобразования, оказывает решающее влияние на массу и размеры энер­гоустановки (ЭУ). Следовательно, лишь на коротких режимах разряда резервные батареи и аккумуляторы имеют наименьшие массо-габаритные характеристики (при равной мощности и энергии), что открыло им ши­рокую дорогу в различных областях автономной энерге­тики. Долговременные схемы энергообеспечения, реали­зуемые, например, в тепловых машинах, хотя обладают относительно невысоким КПД, но на продолжительных режимах работы сохраняют свои преимущества. Элек­трохимические генераторы (ЭХГ), состоящие из батарей топливных элементов, систем автоматики и т. д. и рабо­тающие при постоянных температуре и давлении, имеют теоретический КПД, приближающийся к 100%, и имеют массо-габаритные преимущества в диапазоне 100— 10 000 ч. На созданных в СССР водородно-кислородных ЭХГ практический КПД достигает 70—75%. От других устройств, реализующих схему непосредственного пре­образования химической энергии в электрическую (галь­ванических элементов и аккумуляторов), ЭХГ сущест­венно отличаются тем, что в них реагенты (окислитель и горючее) содержатся не в самой конструкции, как у первых, что ограничивает запас их энергосодержания, а отдельно в резервуарах и подаются в генератор в мо­мент работы. Таким образом, схема обеспечения реаген­тами в ЭХГ сходна с машинными схемами, однако в них сохраняется присущий схеме прямого преобразования энергии высокий КПД.

Изложенные обстоятельства способствовали тому, что исследования по ЭХГ за последние годы существенно расширились. В США и СССР разработаны варианты ЭХГ на водороде и кислороде с щелочным и кислым электролитами для программы космических исследова­ний; в СССР создан ЭХГ на водороде и воздухе для транспортных систем и др. Разрабатываются ЭХГ на других активных компонентах и для более широкого круга задач. Исследования по созданию ЭХГ также раз­виваются в странах СЭВ, Англии, Японии, ФРГ, Италии и Франции. Как это часто бывает при решении сложных научных, технологических и конструктивных идей, раз­работка схем непосредственного преобразования хими­ческой энергии в электрическую стимулировала развитие ряда новых высокоэффективных технологических процес­

сов, используемых в различных областях техники, а так­же появление новых физических представлений (напри­мер, актуальности интерпретации проблем электромаг­нитной природы катализа, явлений на поверхности и т. Д.).

Таким образом, современные проблемы прямого пре­образования химической энергии в электрическую охва­тывают широкий круг задач и базируются на использо­вании достижений многих отраслей знания. К новым также относятся нерешенные проблемы теории построе­ния и применения специфического математического аппа­рата для оптимизации электрогенерирующих устройств. Крайне трудоемкими оказались экспериментальные ис­следования, сопутствующие созданию новых электрохи­мических систем, проблемы моделирования и разработки новых конструкций, исследования электрических свойств поверхности, анизотропных нелинейных сред и т, п,

Исследование и разработка электрохимических гене­раторов — новая в инженерно-физическом, а также пер­спективная в экономическом и экологическом планах проблема.

Освоение космического пространства, морей и океа­нов, создание эффективных электромобилей и других транспортных средств, разработка автономных источни­ков энергии для питания радио - и телевизионной аппара­туры с высокими удельными параметрами, а за послед­ние годы строительство опытных стационарных устано­вок большой мощности — вот неполный перечень обла­стей внедрения и возможного использования этих устройств. Следует помнить, что высадка человека на Лупе не была бы возможной без использования электро­химических генераторов.

Изложенное в книге введение в проблему является, по-видимому, первой попыткой систематического и отно­сительно полного изложения научных и инженерных ее аспектов на базе использования как литературных дан­ных, так и результатов собственных исследований авто­ров, их коллег и учеников, К оригинальным относятся главы, излагающие представления авторов об электро­магнитной природе катализа, физической модели поверх­ности, методы квантово-электродинамического расчета структур сопряженных электронных спектров водорода и некоторых материалов, методы разделения металлов по их каталитической активности к водороду. К ориги­нальным результатам относятся также описания инже­нерных структур и методов расчета отдельных элементов и систем генераторов.

Сама проблема находится в начале развития. Она перспективна не только в аспектах экономии металла и топлива в нестационарных устройствах, обеспечивающих производство электроэнергии, и создания экологически чистых источников электрической энергии, но она весьма

перспективна также для современной физики и смежных наук, на стыке которых в процессе исследования прояв­ляются еще не разгаданные механизмы электронного об­мена на границе раздела фаз, механизмы химической кинетики и модели специфичных областей нелинейной электродинамики.

В ближайшей перспективе авторы предвидят сущест­венное усиление интереса к изучению и применению электрохимических генераторов наряду с другими мето­дами непосредственного преобразования видов энергии в электрическую.

Кроме основных авторов в написании отдельных раз­делов книги участвовали: Н. М. Каган, 3. Р. Каричев, Л. А. Сальников, Е. А. Тейшев (гл. 3); И. Ю. Керцелли, Г. А. Кононова, И. Г. Меерович, Ю. М. Морозенков (гл. 4); В. М. Вербников, В. М. Голубь, А. Р. Гордон, Д. Н. Канищев, В. И. Малашенко, Ю. М. Морозенков,

1 Г. В. Самойлов), В. X. Станьков (гл. 5); Л. С. Табак - ман (гл. 6); Ф. Р. Юппец (гл. 7); В. М. Болотин, А. С. Власов, Ю. А. Зайцев, О. Г. Касимов, Е. М. Чистов (гл. 8); О. Г. Касимов, А. С. Луковников (гл. 9);

О. Г. Касимов, Л. И. Леоничев, В. П. Постаногов, Г. М. Сухов (гл. 10).

Авторы выражают глубокую признательность проф. Л. А. Квасникову за просмотр рукописи и содействие ее изданию.

Я. С. Лидоренко, Г. Ф. Мучник

)