Нетепловые двигатели

К нетепловым двигателям, то есть устройствам, в которых ко­нечное преобразование энергии в тяіу, крутящий момент или элект­рический ток происходит без участия тепловой энергии как ос­новного ее носителя, относят плазменные, ионные, полевые, кван­товые и др. Такие двигатели получают энергию от энергоустанов­ки, которая зачастую рассматривается как их составная часть.

Характерным примером нетепловой энергоустановки является топливный элемент. Первый топливный элемент создал Гровс в 1839 г. (две платиновые пластины погружались в раствор серной кислоты). Было обнаружено, что выделяющиеся при электролизе газы Н2 и 02 обладают электрохимической активностью, то есть после выключения внешнего напряжения на клеммах сохранялась разность потенциалов порядка 1В, правда, при ничтожной емкости из-за малого количества активных газов.

О целесообразности прямого (нетеплового) превращения хими­ческой энергии в электрическую высказался в 1894 г. В. Оствальд применительно к окислению угля кислородом. Его идея затем была использована В. Нернстом, Ф. Габером и их сотрудниками при по­пытках создать высокотемпературные топливные элементы, рабо­тающие на углероде и кислороде. Первый вариант действующего устройства такого типа сконструировали Буар и Прайс (магнетито­вий катод и угольный анод, ЭДС =0,7 В; Т=1370 К).

Исследования О. К. Давтяна, опубликованные в 1947 г. в работе «Проблема непосредственного превращения химической энергии в электрическую», казалось бы, показывали бесперспективность из­бранного нового направления, потому что во всех исследованных случаях температура была не меньше 1250 К, а мощность нагрева топливного элемента всегда превосходила вырабатываемую им электроэнергию (это без учета расходуемой химической энергии). Время работы и срок службы системы были очень малы.

Пришлось вмешаться специалистам в об­ласти термодинамики и определить КПД и его составляющие. Выяснилось, что общая эффективность топливного’ элемента вели­чина сложная:

Л эфф — Л теорЛ е Л F ’

где г| теор— теоретический КПД, равный для

водородно-кислородной пары (рис. 39) 0,83; Т| Е — КПД, связанный с потерями на поля­ризацию электродов и омическим сопротив­лением (его называют еще КПД по напряже­нию и определяют как отношение напряже­ния над нагрузкой к напряжению при нуле­вом токе it

"*-57=0-1S”0’67»’

a Л f— фарадеевский КПД, равный отношению количества электри­чества Q, полученного от одного моля топлива, к его электрохими­ческому эквиваленту Э, и включающий также неиспользованные по­тери водорода

= 0,95

Оказалось, что общий КПД может быть весьма высок: Т|эф = 0,83- 0,67 0,95= 0,53,

если решить основную проблему работоспособности топливного элемента: научиться изготовлять развитую пористую (выше, чем у активированного угля) поверхность электродов, а когда ясно, что и для чего делать, успех придет обязательно.

Сейчас топливные водородно-кислородные элементы устанав­ливаются на КК «Шаттл» и «Буран», входили в состав лунного пи­лотируемого комплекса США, являются наряду с солнечными ба­тареями основным энергоисточником космических ЛА.