1. Не разработана теория кинетики электронного пе­реноса в слоистых структурах. Из-за отсутствия физи­ческой модели нелинейных сред прогноз кинетики для элементов ЭХГ не поддается количественной интерпре­тации. В отличие от фото - и термоэлектрических преоб­разователей, у которых катод и анод состоят из прово­дящих или полупроводящих материалов, отвод элек­трических зарядов от топлива и окислителя при условии, когда оба они—газообразные или жидкие диэлектрики,

принципиально отличается по физической модели и со­ответственно сложнее. Пути преодоления этих сложно­стей представляют на сегодня основной технологический секрет исследователей и в каждой стране решаются самостоятельно.

2. Теория катализа. Практически отсутствуют обоб­щенные теории катализа. Экспериментальные же иссле­дования в этой области связаны с необходимостью обработки огромного опытного материала и разработки новых средств диагностики: оптической и электронной спектроскопии, изучения электронного резонанса на реальной поверхности сопрягающихся структур и т. д.

3. Необходимы глубокие исследования адсорбции на поверхности, включая оценку влияния эффективных раз­меров заряда ионов, вычисление теплоты адсорбции ио­нов и молекул, исследование адсорбции органических соединений на твердых телах, разработка средств учета роли поверхности, в первую очередь в пористых средах.

4. Теория электролитов. Современные теории (термо­динамика, теории структурных свойств электролита, про­цесса переноса и т. д.) ограничены процессами в раз­бавленных растворах и более 30 лет не подвергались существенным изменениям. До сих пор нет удовлетво­рительного математического описания процессов пове­дения электронов в жидкой среде.

В связи с большой значимостью исследований кон­центрированных электролитов (или так называемых «сильных») для многих областей химии и биологии раз­работка соответствующей теории сулит большие перс­пективы.

Особое значение имеют также новые эксперименталь­ные методы исследования растворов: дифракция рент­геновских лучей и нейтронов, адсорбционная и «рама - новская» спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, диэлектрические и магнитные методы.

Необходимо иметь в виду разработку и усовершен­ствование методов измерения других важных для теории и практики параметров, а именно: удельной электриче - кой проводимости, вязкости, коэффициента диффузии и различных молярных свойств (включая удельный объ­ем, коэффициент сжимаемости, относительные энталь­пию и энтропию). В настоящее время уже имеется боль­шое количество данных по этому вопросу, однако все - 14

сторонний критичёскйй обзор до сих пор оісутствует. данные имеют важное практическое значение для опти­мизации ЭХГ.

5. Описание пористых сред. Проблема заключается в описании пористых сред на основании соответствую­щих параметров, которые можно получить путем физи­ческих измерений (таких как 'Пористость, проницаемость, кривизна, «мертвый объем», объем и форма пор, их рас­пределение, удельная площадь поверхности, проводи­мость, емкость и т. п.). Создание хотя бы упрощенных, но доступных для использования электронных моделей пористых сред — проблема будущего.

Подпроблемы, требующие разработки оригинальных творческих и экспериментальных методов, следующие: диффузия и миграция через дисперсные и полупроница­емые фазы; диффузия и проводимость в пористых сре­дах, имеющих «источники» и «стоки» заряда и массы; проводимость твердых матриц, состоящих из нескольких твердых фаз при произвольном и упорядоченном распре­делениях; механизм переноса газов к поверхности разде­ла электролит — твердое вещество и от нее к пористой среде; учет влияния поверхностного заряда на ионный перенос за счет диффузии и миграции; ламинарная и турбулентная свободная конвекция, в том числе в соче­тании с направленной конвекцией в произвольно ориен­тированных электродных конфигурациях; изменение и корреляция (при отсутствии соответствующей теории) коэффициента ионной диффузионной способности, по­движности, вязкости и плотности концентрированных электродов; растворимость и диффузия газов в концент­рированных электролитах.

6. Тепломассообмен. К числу проблем относятся: из­мерение и оценка теплопроводности концентрированных электролитов и составных электродных материалов (включая пористые электроды); изучение теплопереноса через поверхность раздела твердого тела и электролита при наличии плоского источника тепла на этой поверх­ности раздела; определение профиля распределения тем­ператур вблизи раздела фаз; теплоперенос через поверх­ность раздела электролита и электрода в присутствии газовой фазы (аналогичный пузырчатому и пленочному кипению и парообразованию); теплоперенос, связанный с процессами диффузии (пар, образующийся в резуль­тате реакции, попадает в рабочие компоненты — газ, по­

ступающий в ТЭ); теория диффузии й проводимости в неизотермическом электролите; вляние теплопередачи иа режим работы ТЭ в целом.

7. Технологические проблемы. Создание ЭХГ — слож­ная и комплексная задача, опирающаяся на современ­ную технологию сварки, прессования, прокатки и т. д. Комплексное решение этих проблем — задача большой сложности, так как наряду с требованиями применения материалов, стойких в агрессивных средах, легких и прочных, неизбежно возникает необходимость гарантии высокой надежности.

Наиболее ответственна технология электродов, све­дения о которой в литературе чрезвычайно скудны. Пер­востепенной, особенно для кислых сред, является проб­лема коррозии.

8. Отвод продуктов реакции и их утилизация. В ТЭ проблема отвода продуктов реакции заключается в обес­печении многокомпонентной управляемости процесса генерирования, определяющейся уровнем характеристик ТЭ и требованием поддержания детального равновесия между исходными и конечными реагентами. Прямая связь этих процессов с выходными электрическими ха­рактеристиками позволяет использовать их особенности для регулирования системы в целом. Практически осу­ществляемые методы отвода продуктов реакции делятся на два больших класса — статические и динамические, каждый из которых обладает собственными преимуще­ствами и недостатками.

Из проблем утилизации продуктов реакции (регенера­тивные циклы и т. д.) укажем лишь на проблему ис­пользования воды, получающейся в водородно-кислород­ных ТЭ. Трудность заключается в обеспечении надежно­го и равномерного во времени процесса выделения воды, особенно в условиях невесомости. Осложнения возникают также из-за низкого уровня температур и ма­лых перепадов температур между парогазовой смесью и хладоагентом в динамических системах удаления во­ды и сложности поддержания температуры в статиче­ских системах.

Начиная с 1839 г., когда В. Гроувом был разработан первый образец водородно-кислородной «ячейки Гроува», исследова­ния проводились на уровне физического эксперимента, имеющего демонстрационный характер. Так, в 1842 г. Гроувом была собрана «газовая вольтаическая батарея», а в 1889 г. Мупдом и Лангером впервые был использован термин «топливный элемент» для батареи с платиновыми электродами мощностью 1,5 Вт с КПД 50%. 16

Ё 1884 г. Освальд предложил широкий план замены тепловых элек­тростанций ТЭ, в которых должна была осуществляться реакция окисления угля. Однако несмотря па усилия ряда видных ученых того периода — Нернста, Габера, Баура, Прейса добиться удовлет­ворительной кинетики и мало-мальски достаточного ресурса по этой системе не представилось возможным (кстати, на промышленном уровне это не удается сделать и сейчас, спустя более 90 лет).

Из последующих работ можно отметить исследования Шленда по диффузным электродам (впервые предложил идею гидрофобного электрода) и особенно Ф. Бэкона (Кембриджский университет, Англия), внесшего существенный вклад в развитие новых идей. Бэкоиом были предложены и разработаны двухслойные электроды, развиты основы теории пористых электродов и, наконец, разработа­на батарея водородно-воздушных ТЭ со щелочным электролитом (205°С, 2,1 МПа) мощностью до 5 кВт. Конечно, эти работы также имели лабораторный уровень и демонстрационную цель. В 1947 г. выходит в свет книга О. К. Давтяна «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую», обоб­щившая существующий на тот период уровень проблемы. В 1954 г. Юсти получил патент на двускелетный катализатор и были созданы элементы на его основе (фирма «Варта», ФРГ).

В 1950—1960 гг. в СССР проводятся интенсивные теоретические и на уровне лабораторных экспериментальные исследования кинети­ки процессов на электродах (академики А. Н. Фрумкин и Я. М. Ко - лотыркин, проф. Р. X. Бурштейн, чл.-корр. АН СССР Н. С. Лидо - ренко, проф. Г. Ф. Мучник, проф. В. Е. Дмитренко, проф. В. С. Ба - гоцкий, проф. А. Г. Пшеничников, канд. техн. наук О. Г. Каси­мов, Г. В. Самойлов, 3. Р. Каричев, проф. Н. В. Коровин, канд. техн. наук Ф. Р. Юппец, проф. С. П. Чижик и др.). Аналогичные работы проводились и в США, ФРГ, Англии, Японии.

Начало широких инженерных разработок в СССР положено авторами и их учениками в 50—60-х годах. К 1968 г. они были существенно расширены и завершились к 1970 г. созданием дейст­вующих образцов и разработкой полупроизводствепной технологии для ряда проектов.

К этому периоду (50-е годы) относится и широкое развитие проблемы в ряде стран (США, ФРГ, Англии, Франции и др.). Нача­то создание макетов и опытных образцов, что стимулировалось по­требностью развития космической программы. Фирма «Аллис-Чал - мерс», США, например, демонстрирует трактор, тележку, одномест­ный подводный аппарат и т. д.

В США ЭХГ применили для космической программы — «Дже - мини» и позднее «Аполло». Создан опытный образец электромобиля («Кордеш», «Юнион карбайд», США), на фирме «Сименс» (ФРГ) разрабатывается ЭХГ на гидразине, во Франции разработки ведутся фирмой «Дженерал электриситэ», в Швеции — АСЭА. В 1973 г. СССР демонстрирует электрокар с ЭХГ, работающим на водороде и воздухе.

В 1967 г. группа фирм США приступила к выполнению про­граммы ТАРЖЕТ (TARGET), имеющей целью использование ЭХГ для широкого круга задач, вплоть до крупной (десятки мегаватт) энергетики.

Современная реклама предсказывает большое число областей внедрения ЭХГ, особенно с учетом возможностей водородной энер­гетики. Однако в последние годы (условно третий период развития)

г

йроблема создания ЭХГ вступила в новую фазу. Масштабность и сложность проблемы привели к тому, что исследователи сосредото­чились лишь в нескольких наиболее крупных фирмах и институтах мира (США, СССР, ФРГ), где продолжают интенсивно развивать и усовершенствовать новые модели. Затраты на проблему резко возросли. Сейчас на первый план выдвигаются вопросы экономики и увеличения ресурса. Технологические и инженерные проблемы при­обретают большую значимость, хотя, как это будет нами показано, многие вопросы теории все еще остаются нерешенными.

Исследование проблемы ЭХГ привело к широкому развитию смежных областей, в том числе фундаменталь­ных. Так, попытки улучшить катализаторы обусловили необходимость расширения исследований механизма катализа с привлечением новых физических представле­ний. В экспериментальных работах возникает потреб­ность в существенном улучшении (или создании новой) измерительной техники. Особенно интенсивное развитие получили технологическое обеспечение и разработка промышленных методов производства новых материалов и деталей ЭХГ.

Для оценки всего многообразия смежных областей науки и техники фирмой «Баттеле» предложен «весо­вой» метод, причем в качестве численных показателей приняты значения: 3 — очень большой вклад, 2 — боль­шой, 1 — небольшой и 0 — нулевой. Было рассмотрено 25 возможных областей, каждая из которых разбива­лась на четыре подобласти, имеющих одинаковый «вес». Максимальное значение вклада составляет 300 единиц (25X4X3). Приводим значения относительных величин вклада (по отношению к 300).

Источник энергии

ЭХГ............................................................................................ 0,387

Аккумуляторы.......................................................................... 0,23

Двигатели внутреннего сгорания............................................ 0,227

Изотопные источники....................................................................... 0,077

Солнечные элементы............................................................... 0,087