1.1. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ

Основными типами ЭХГ, созданными в мире, явля­ются водородно-кислородные (воздушные) системы с по­ристыми электродами (щелочной электролит) или с ио­нообменными мембранами (кислый электролит). Рас­смотрим процесс в единичном топливном элементе (ТЭ), входящем в состав ЭХГ.

С общих позиций процесс генерирования в ЭХГ мо­жет быть описан как процесс обмена электронами между горючим и окислителем с образованием нового химичес­кого соединения— продукта реакции (рис. 1.1). В зави­симости от структуры реагентов реакция на электродах - ТЭ протекает по различным промежуточным стадиям. Так, для водородно-кислородного ЭХГ реакция на кис­лородном электроде имеет вид

(реагент) 02 + 2H20+4e--v40H~ и на водородном электроде

(реагент) 2Н2 + 40Н-^-4Н20 + 4е_.

Таким образом, суммарная реакция в элементе

2Н2+Ог^-2Н20 (продукт реакции).

Результатом реакции является переток (каналирова­ние) электронов внутри молекулярных структур с уров­ней, где они обладали большим запасом энергии (уров­ни энергий электронов, расположенных на валентных орбитах исходных продуктов реакции), на уровни с меньшим запасом энергии (валентные электронные уровни конечных продуктов реакции). Таким образом, образуются новые молекулярные структуры (продукты реакции) из ранее существовавших молекулярных струк­тур (реагирующих веществ). Если реакция неорганизо­ванная (с точки зрения сбора и распределения электри - 8

ческих зарядов), между продуктами реакции происходи!1 хаотический обмен электронами. Выделяющаяся энергия за счет соударений между молекулами расходуется на повышение кинетической энергии реагирующих моле­кул— конечных продуктов реакции (тепловой процесс), а также рассеивается излучением.

Задача заключается в обеспечении рационального протекания процесса через такие промежуточные акты реакции (например, предварительную ионизацию, гете­рогенный катализ и др.), которые могли бы привести к минимальным потерям энергии при «коммутации»

Электронов в конструкции ЭХГ перед выводом их во

внешнюю электрическую цепь. Одной из актуальных проблем является возможно более полное использование потенциала процесса, соответствующего свободной энер­гии химической реакции (приближение рабочего напря­жения ЭХГ к его ЭДС). Однако свободная энергия при химических реакциях не превышает долей или единиц электрон-вольт. Этой энергии часто бывает недостаточно, например, для преодоления пороговых барьеров в актах промежуточных превращений. Малый энергетический потенциал (малые значения ЭДС процесса) и приводит к затруднениям в разработке рациональных путей ис­пользования этой энергии. Эти проблемы относятся к проблемам, исследуемым теорией катализа.

В традиционных химических источниках тока (акку­муляторах), имеющих твердофазные активные материа­лы на пути электронных переходов, энергетические барь­еры возникают на границе твердая фаза — раствор. Фи­зический смысл затруднения кинетической интерпрета­ции состоит в том, что электрические свойства обеих твердофазных границ в процессе генерирования энергии непрерывно изменяются по законам, не учитываемым со­временной теорией, а именно изменяется не только структура, но и химический состав твердой фазы, так как катод непрерывно (пропорционально количеству Прошедшего электричества) обогащается металлом, а анод — окислителем (например, кислородом); рожда­ется новая твердая фаза, электрическое поведение кото­рой с точки зрения современной теории твердого тела не поддается прогнозу: переток электрических зарядов (ионов) через систему, представляющую собой, как пра­вило, многослойную среду, происходит в сложных неста­ционарных условиях переноса энергии и вещества, сопро­вождается разрывами сплошности потенциала и соответ­ствующими скачками коэффициентов переноса (при нелинейных граничных условиях).

Современная теория в кинетическом плане не в со­стоянии решить рассматриваемые проблемы. Химическая термодинамика дает возможность теоретически оценить лишь запасы энергии в исходных продуктах и потенциал процесса (ЭДС). Законченной теории, позволяющей рассчитывать рабочее напряжение ЭХГ, количествен­но предсказывать расходные коэффициенты горючего и окислителя и КПД реакции или хотя бы прогнозиро­вать вероятность ее протекания, не создано. Отсутству­ем

ют также [1.1, 1.2] законченные теории растворов и

катализа.