Читать «Юный техник, 2005 № 10» онлайн - страница 12

Звучит все очень просто. Однако техническая реализация идеи потребовала преодоления целого ряда трудностей. Прежде всего, оказалось непрактично и расточительно использовать в качестве топлива непосредственно водород. Его ведь надо специально получать, каким-то образом хранить, а этот газ занимает большой объем и весьма взрывоопасен.

Поэтому сейчас в качестве топлива чаще используют бензин или метиловый спирт — метанол. В результате процесса разложения — реформинга — метанол при температуре 280 °C выделяет водород, который затем и поступает на анод топливного элемента. Функции электролита в современных топливных элементах обычно выполняет тончайшая полимерная мембрана с нанесенным на нее слоем платинового катализатора. Она обладает уникальным свойством: пропускает положительные ионы, то есть ядра атомов водорода, но задерживает электроны.

Ионы, проходя сквозь мембрану, вступают на катоде в реакцию в атомами кислорода, содержащегося в воздухе. В обычных условиях такая реакция приводит к образованию гремучего газа и носит взрывной характер, но в топливном элементе она протекает мирно благодаря тому, что идет не во всем его объеме, а лишь на поверхности мембраны с катализатором. Выделяемое при этом тепло поддерживает процесс реформинга. А электроды, отобранные мембраной у атомов водорода, следуют к катоду по внешней цепи, создавая тот самый электрический ток, который необходим для питания тех или иных приборов.

На схеме, взятой нами из научного журнала, сам изобретатель поясняет, как работает его топливный элемент.

Такая схема стала почти классической. Однако недавно американские инженеры внесли в эту конструкцию существенные, возможно, даже решающие коррективы. Пол Кеннес, профессор Иллинойского университета (США), говорит, что в новом топливном элементе нет мембраны. Однако каким же образом функционирует такой элемент? Как осуществляет разделение реагентов?

Идея пришла в голову профессору Кеннесу в тот момент, когда он чистил зубы. «Я обратил внимание, как выходит из тюбика двухцветная зубная паста, — поясняет он. — Когда выдавливаешь ее из тюбика, полоски разного цвета не смешиваются. И тут я вспомнил, что аналогично ведут себя и жидкости в пространстве, измеряемом микрометрами»…

Дело в том, что смешивание потоков происходит лишь при турбулентном, вихревом течении жидкостей. Это хорошо заметно, например, в том месте, где одна река впадает в другую. А вот если посмотреть под микроскопом на микропотоки, становится очевидно, что главную роль начинает играть вязкость жидкости, благодаря которой потоки сосуществуют, не смешиваясь друг с другом.

«Поток топлива и поток окислителя мы сводим вместе в капилляре с внутренним диаметром менее 1 мм, — поясняет Кеннес. — В этой трубочке слишком мало места для образования завихрений. На границе двух потоков, там, где они соприкасаются, происходит обмен ионами и электронами, образуется электрический ток».