Что "горит" в топливном элементе

Гров (1811 - 1896), английский электрохимик, адвокат по профессии (закончил Оксфорд в 1835 г.), слабый здоровьем, он не желал заниматься адвокатской практикой: предпочел тишину кабинета и занятия джентльмена-экспериментатора. Изобретенный им в 1839 году "элемент Грова" сделал его членом Лондонского королевского общества. Гров был ярым сторонником закона сохранения энергии (видимо, поэтому в справочниках он всюду значится как английский физик), профессорствовал в лондонском институте. В зрелые годы здоровье Грова окрепло настолько, что он вернулся к адвокатской деятельности. В 1871 году был назначен судьей, а год спустя возведен в рыцарское достоинство (knight, род личного дворянства с титулом "сэр").

Сейчас, когда наука требует долгого обучения, дорогостоящего оборудования, коллективных усилий и многого иного, нам трудно себе это представить: профессиональный юрист, успешно (в часы досуга!) подвизавшийся на ученом поприще. И даже внесший значительный вклад в исследования.

Да, днем заседания в суде, дела клиентов. А по вечерам, сбросив судейскую мантию, Уильям Роберт Гров отдавал свой досуг любимой науке - электрохимии.

И занятия эти шли столь успешно, что сейчас, собственно, помнят не юриста Грова, а Грова-электрохимика.

В 1839 году в январском номере "Философского журнала" Гров описал опыт: стрелка гальванометра отклонялась, когда его соединяли с двумя платиновыми полосками, полупогруженными в сосуд с разбавленной серной кислотой; одна полоска обдувалась водородом, другая - кислородом. Так был создан первый топливный элемент - водородно-кислородный.

Открытие было сделано, по-видимому, случайно. Ведь первоначальной целью Грова было произвести разложение воды (точнее, раствора серной кислоты) на водород и кислород.

Тот факт, что процесс может идти и в обратную сторону и что при этом образуется электрический ток, то было для Грова явлением побочным. И сообщение об этом было помещено в постскриптуме к статье, как бы между прочим. Не сразу ученый и его современники осознали, что з науке произошло событие значительное.

Электрохимические элементы (батареи), генерирующие ток, были известны и до этого. Но в них "сжигались" довольно дорогие металлы: цинк, свинец, никель. Насколько дешевле было бы электрохимически жечь водород, лучше натуральный газ, еще лучше уголь. Так же, как издревле привык человек жечь хворост и дрова.

А ведь именно эту возможность, казалось бы, и предоставлял элемент, предложенный Гровом. В нем топливо (водород) сжигалось (соединялось с кислородом) до конечного продукта - воды. И - что самое удивительное - человек впервые получил при сжигании обычного топлива не тепло, а сразу электрический ток.

Однако опыты Грова не произвели тогда на ученых большого впечатления: слишком ничтожны были снимаемые с элемента токи. Элемент выглядел лабораторным курьезом, не более. Любопытно, занимательно, но практического применения не имеет!

А теперь о том, что, собственно, и как горит в топливном элементе.

...Яростное пламя клокочет в топке гигантского - высотой с десятиэтажный дом - парового котла электростанции. А что такое пламя? В чем физическая сущность процесса горения?

Топливо (дрова в костре, разведенном туристами, уголь, газ, нефть) состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны. Атомы кислорода (окислитель, необходимая компонента процесса горения), наоборот, приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения - молекулы углекислого газа.

Все эти процессы, изложенные очень упрощенно, идут весьма энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает сильное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, а это и есть пламя.

Обмен электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в неполноценную (в смысле эффективности дальнейших преобразований) тепловую энергию. Все это очень похоже на явление "короткого замыкания", когда электрическая энергия преобразуется в тепловую. Провод при этом плавится.

Горение - обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток - тоже движение электронов, только упорядоченное! И вот возникает еретическая мысль: а нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получать электрический ток? Добиться управления движением электронов. Не дозволять электрически заряженным ионам в хаосе столкновений растрачивать свою электрическую энергию, не дать ей превращаться в тепло. Итак, возможно ли "холодное" горение? Организованное и упорядоченное? Оказывается, да.

Вспомним опыт Грова. Он сжигал водород (топливо вовсе не обязано быть только углеродом, как и окислитель - кислородом) в кислороде. Этот процесс известен нам еще со школьной скамьи. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом. При поджигании огнем или искрой эта смесь взрывается.

Пока это обычное горение водорода. Продуктом является вода. Химик запишет эту реакцию так:

Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла. (Химическая энергия превращается в тепловую, и ее можно при желании преобразовать в ток, правда, с существенными потерями.)

Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировалось электричество - электроны (их будем обозначать символом e^-)? Можно ли, скажем, обеспечить протекание такого процесса:

Да, отвечает наука. Для этого надо свести вместе три фазы: газ водород, источник ионов OH^- - электролит (раствор щелочи в воде) и кусок металла, который и примет образующиеся в реакции (2) электроны. (Процесс (2) и ему подобные, идущие в месте стыка трех фаз, на так называемой "трехфазной границе", изучает особая наука - электрохимия.)

Так получать электроны громоздко, неуклюже? Возможно. Однако, чтобы получить желаемое - электрический ток, схему приходится усложнить еще больше. Ведь чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела металл (в электрохимии его называют "электродом") - электролит - газ необходимо непрерывно подводить ионы и отводить электроны. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь.

Будем ко второму электроду (специально подобранному) подавать кислород или воздух, чтобы там шла реакция

Очевидно, что в сумме реакции (2) и (3) - это можно легко проверить! - дают реакцию (1). И вроде бы мы вернулись к простому горению. Однако в устройстве, которое осуществил впервые Гров - в водородно-кислородном топливном элементе (именно в нем идут процессы (2) и (3), - энергия химической реакции преобразуется уже не в тепло, которое трудно использовать, а непосредственно в энергию бегущих по проволоке электронов.

Включенная во внешнюю цепь "газового элемента Грова" лампа горит! Горение в ней поддерживают электроны, выделяющиеся на одном электроде ("водородном", реакция (2): сюда подается водород) и поглощаемые на другом ("кислородном", реакция (3).

Но электрохимическое горение замечательно не только тем, что может идти даже при комнатных температурах ("холодное" горение). Главное его достоинство, столь важное для технических приложений, в другом: это горение очень эффективно, идет практически без потерь.