Создание топливных элементов — одна из больших научно-технических проблем нашего времени; ею занимаются ученые и инженеры всех промышленно развитых стран. Чем эта проблема привлекла столь большое внимание, что даст человечеству ее решение?

Топливные элементы — это электрохимические генераторы для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую. Они принципиально отличаются от всех генераторов электроэнергии тем, что в них химическая энергия преобразуется в электрическую, минуя стадию превращения в тепловую энергию. Коэффициент полезного действия любой тепловой машины не может превышать определенной величины, зависящей, от температуры рабочего тела (пара или газа) на входе и выходе тепловой машины, в то время как к. п. д. электрохимического источника тока не связан с этим ограничением. Наиболее высокий к. п. д. паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания не превышает 40—45%, а у современных водородно-кислородных топливных элементов он достигает 70%.

Нелегкий путь развития работ по топливным элементам привел не так давно к первому большому успеху - топливные элементы нашли практическое применение в качестве основного источника энергии на космических кораблях. Невольно возникает вопрос, почему впервые эти источники тока начали использоваться в космической технике, где к любой аппаратуре предъявляются наиболее жесткие требования. Здесь есть несколько причин - технического и экономического характера.

Как мы говорили, главным показателем при выборе источника электроэнергии для космического корабля является вес всей энергетической установки. При полете в космос для любых преобразователей химической энергии в электрическую надо иметь запас не только топлива, но и окислителя, что значительно снижает преимущества двигателя внутреннего сгорания, работающего в земных условиях с использованием воздуха. Кроме того, в водородно-кислородном топливном элементе вырабатывается чистая вода, поэтому не надо брать большой запас питьевой воды, и это дает дополнительный выигрыш в весе. В результате всего этого энергоустановка с топливными элементами оказалась легче всех остальных принципиально возможных источников тока (аккумуляторов, солнечных элементов, двигателя внутреннего сгорания с динамомашиной).

Конечно, при разработке топливных элементов для космоса пришлось преодолеть колоссальные трудности: потребление энергии на космическом корабле очень резко меняется; сильно колеблется температура окружающей среды, что создает трудности для стабильного отвода воды и тепла; в условиях невесомости нет конвекции жидкостей, и это сильно затрудняет удаление пузырьков газа, случайно попавших в электролит. И, несмотря на все это, установка должна быть абсолютно надежной.

Однако при разработке аппаратуры для космических исследований есть одно очень важное преимущество - стоимость материалов почти не ограничивает замыслов ученых и инженеров, допускается применение дорогих и дефицитных материалов. Число энергетических установок, требующихся для космических аппаратов, невелико, поэтому на каждую из них можно израсходовать довольно большое количество платиновых металлов, без которых пока не удается создать мощных топливных элементов с высоким к. п. д.

Проектирование, опыт эксплуатации, постоянное совершенствование космических топливных элементов имеют громадное значение для развития всех исследований в этом направлении. На космических топливных элементах решаются многие технические проблемы - общие для всех топливных элементов: поиски оптимальных конструкций, снижение веса и объема, отвод тепла и воды, проблемы материалов и технологии. Весь накопленный опыт уже используется для разработки топливных элементов более широкого применения, так как замена катализатора не вносит практически никаких изменений в конструкцию самих топливных элементов, а также других систем энергоустановки.

Космос - первая и специфическая область использования топливных элементов. Для всех остальных применений технические задачи надо решать одновременно с экономическими - топливные элементы должны быть более мощными и достаточно дешевыми. Тогда они во многих случаях заменят менее эффективные гальванические элементы и аккумуляторы, а также двигатели внутреннего сгорания.

Однако прежде чем все это станет реальностью, придется преодолеть еще большие трудности. Первым этапом будет усовершенствование существующих топливных элементов, работающих на кислороде воздуха и водороде, получаемом конверсией углеводородов. При этом следует исключить или, по крайней мере, сильно сократить расход драгоценных металлов, увеличить мощность установок, создать небольшие и экономичные устройства для получения водорода путем конверсии, а также эффективные установки для очистки воздуха от углекислого газа.

Без применения драгоценных металлов сейчас могут работать только топливные элементы со щелочным электролитом. При использовании кислых электролитов обойтись без драгоценных металлов гораздо труднее. Правда, на пути исследований в этом направлении совсем недавно наметился перелом. Найдены первые неплатиновые катализаторы, на которых процесс окисления водорода и окиси углерода идет уже при низких температурах. Катализаторы не отравляются примесями сероводорода и углеводородов и, значит, в топливных элементах можно использовать неочищенные воздух и газ конверсии.

Энергоустановки по мере улучшения характеристик топливных элементов без (или с очень малым количеством) платиновых металлов найдут применение прежде всего в некоторых специальных областях военной техники: для питания переносной аппаратуры; как замена небольших передвижных электростанций, работающих от двигателей внутреннего сгорания; на небольших подводных кораблях. То, что топливные элементы первое время будут несколько дороже двигателей внутреннего сгорания или аккумуляторов, оправдается их преимуществами.

Удастся ли в обозримом будущем получать более дешевую электроэнергию, чем вырабатываемая сейчас тепловыми электростанциями, пока неясно. Однако здесь поиски не прекращаются. Например, 23 газовые компании США финансируют широкую исследовательскую работу по созданию энергоустановок с топливными элементами, работающими на природном газе и воздухе. Конечная цель программы - установки, снабжающие электроэнергией жилые дома и учреждения, так как подача газа значительно дешевле передачи электроэнергии на расстояние. Ведутся подобные работы и в других странах. Пока не удалось найти дешевые материалы и создать установки, которые достаточно длительное время не снижали бы своих электрических характеристик. Но материалы для работы в очень жестких условиях нужны и многим другим областям современной техники, например для магнитогидродинамических генераторов электроэнергии, и они будут найдены.

Главным потребителем топливных элементов должен стать транспорт. Первое применение там они найдут, по-видимому, на транспортных устройствах, где не требуется высокой мощности и малого веса энергоустановки, например на электрокарах. Парк этих машин велик, и до сих пор он работает на электроэнергии тяжелых и довольно дорогих аккумуляторов. Позже более совершенные энергоустановки на топливных элементах можно будет использовать для тяжелого транспорта - локомотивов, судов, грузовых автомобилей. Самая же трудная и в то же время очень важная и очень интересная задача - это замена двигателя внутреннего сгорания на легковых автомобилях. Но для этого удельная мощность топливных элементов должна быть значительно повышена. Технически это вполне разрешимо за счет повышения электрических характеристик и снижения веса конструкционных деталей. Ведь и сейчас вес электродов составляет совсем небольшую долю веса всей установки.

Обсуждая будущее топливных элементов, хочется заглянуть и за пределы текущего столетия. Население Земного шара быстро растет и, прежде всего, это сказывается на увеличении потребления энергии. Запасы ископаемого топлива еще очень велики, но они все же исчерпаемы. Оценка запасов отдельными учеными весьма различна; многие из них считают, что ко второй половине следующего столетия недостаток отдельных видов топлива станет заметным. Надо учесть также, что запасы природного топлива распределены неравномерно, поэтому некоторые страны могут ощутить дефицит и раньше. Но большинство ученых единодушны в том, что энергетического голода не наступит: велики запасы расщепляющихся материалов для атомной энергетики, почти не используется энергия солнечных лучей, ветра, приливов и отливов, практически не ограничены запасы сырья в мировом океане для управляемой термоядерной реакции.

Но при постепенном исчерпании природного топлива будут изменяться привычные формы использования его. Большую часть нефтепродуктов сейчас потребляет транспорт. Исчерпание некоторых нефтяных месторождении приведет к росту цен на бензин, а со временем и просто к его нехватке. В то же время цена на водород, получаемый электролизом воды, определяется главным образом стоимостью электроэнергии. Это дает основания полагать, что цена на водород будет снижаться или, во всяком случае, не будет расти. И тот самый водород, который сейчас значительно дороже бензина, со временем станет дешевле.

Американский энергетик Чанг считает даже, что удобства, которые дает нам современный автомобиль, можно обеспечить с помощью синтетического бензина, получаемого из водорода и углеродистых материалов. Однако успехи последних лет в создании водородно-кислородных и водородно-воздушных топливных элементов показывают, что такая необходимость не возникнет. Когда цены на бензин и электролитический водород станут уравниваться, наступит эра электромобилей, работающих на чистом водороде и воздухе. Электромобили же, работающие на водороде, получаемом конверсией бензина, появятся раньше, и переход на чистый водород лишь облегчит и упростит всю энергетическую установку.

Со временем получение и хранение жидкого водорода и заправка им автомашин покажутся не намного более сложными операциями, чем теперешняя заправка бензином. Любая трудная, но теоретически реальная проблема находит свое техническое решение, когда в этом возникает общественная необходимость. Так были преодолены казавшиеся фантастическими трудности при создании атомного оружия, а затем и атомной энергетики, современного электронного оборудования. Сейчас передача электроэнергии на основе явления сверхпроводимости обсуждается как техническая проблема, ею занимаются не фантасты, а конструкторы, хотя для осуществления такой передачи нужна температура жидкого гелия. Способы же получения и хранения жидкого водорода и сейчас не представляют особых технических трудностей. Это скорее проблема экономическая, она будет решена, как только возникнет необходимость. Тем более что для автомобильного транспорта в отличие от космических кораблей жидкий водород не требуется хранить по нескольку недель; обычно достаточно одних суток.

Еще одна область для широкого внедрения водородно-кислородных топливных элементов, работающих на чистых газах, - аккумулирование электроэнергии. Недорогие топливные элементы дадут возможность увеличить число электростанций, работающих на энергии ветра и приливов, повысить эффективность тепловых и гидроэлектростанций, создавая более равномерную нагрузку в часы повышенного и пониженного потребления электроэнергии.

Мы видим, что у топливных элементов, как в ближайшем, так и в более отдаленном будущем достаточно много областей применения. Эта отрасль техники, недавно начавшая свое бурное развитие, внесет еще много перемен в нашу жизнь.