Беседа о самом необыкновенном в мире веществе

Водородно-кислородный элемент

Основа элемента — два электрода, на которых происходят электрохимические реакции ионизации газов. Электроды имеют вид тонких пористых дисков. Их получают прессованием и спеканием металлических порошков, чаще всего никелевого. В электрод (либо в процессе изготовления, либо потом) введен катализатор. Электроды укрепляют в ячейке топливного элемента так, чтобы с одной стороны они соприкасались с раствором электролита. Края электродов тщательно герметизированы.

Через обратную сторону к электродам подают газы: к одному — водород, к другому — кислород. Газы нагнетают под слегка повышенным давлением, так что они частично вытесняют электролит из пор электродов. Таким образом внутри пористого электрода создаются участки контакта трех тел — твердого электрода, жидкого электролита и газообразного реагента (водорода или кислорода). Вблизи этих так называемых трехфазных границ раздела и происходит токообразующая электрохимическая реакция. От электродов ток по специальным токоот-водам идет во внешнюю цепь. Обычно в водородно-кислородных элементах электролитом служит сорокапроцентный раствор щелочи — КОН. Рабочая температура поддерживается в пределах 70—100° С.

Схема работы водородно-кислородного топливного элемента.

Если внешняя цепь разомкнута, то электроны, естественно, не могут перейти с одного электрода на другой: после выделения некоторого количества электронов на водородном электроде и поглощения некоторого количества электронов на кислородном процесс прекращается. Между электродами устанавливается разность потенциалов, называемая электродвижущей силой (э.д.с.) или напряжением разомкнутого элемента. Для водородно-кислородных элементов напряжение при разомкнутой цепи равно 1,0—1,1 В, причем более отрицательным является водородный электрод (на нем электроны выделяются и частично накапливаются).

Замкнем внешнюю цепь, подключив к ней, например, лампочку. Через цепь пойдет ток. Возобновившиеся реакции ионизации газов поддержат его. Но во время прохождения тока электрическое напряжение элемента несколько снизится; чем больше будет сила тока, тем ниже напряжение. Практически допускают снижение напряжения до 0,7 В. Сила тока, при которой это напряжение достигается, считается максимальной силой разрядного тока данного элемента.

Максимальная сила разрядного тока элемента зависит прежде всего от размера площади поверхности электродов и от их каталитической активности. Для сравнения элементов разных размеров очень удобно рассчитать плотность электрического тока, представляющую собой отношение силы тока к площади поверхности электродов. Для водородно-кислородных элементов в зависимости от катализаторов и условий работы максимальная плотность тока может колебаться от 50 до 500 мА/см².

Для практического использования электрической энергии требуется, как правило, сравнительно высокое напряжение. Автомобильная аппаратура работает при напряжении 12 В, самолетная — 28 В. Что-бы получить такие напряжения, несколько элементов соединяют последовательно в батарею. На рисунке показан общий вид батареи из 40 последовательно включенных элементов. Она может дать силу разрядного тока до 200 А при напряжении 28 В.