Именно гальванические (первичные) элементы позволили начать изучение электричества. В первой половине ХIХ века они являлись единственными источниками электрической энергии. До их появления были известны только законы электростатики, не существовало понятия электрического тока и его проявлений.
Уже в мае 1800 г. А. Карлейль и У. Николсон осуществили электролиз воды. В 1803 г. были открыты процессы электроосаждения металлов. В 1807 г. -- электролиз расплавов солей.
Дальнейшая хронология открытий:
1819 г. -- магнитное действие тока -- Х. Эрстед;
1820 г. -- взаимодействие проводников с током -- А. Ампер;
1827 г. -- закон Ома -- Г. Ом;
1831 г. -- закон электромагнитной индукции -- М. Фарадей;
1834 г. -- создание первого электродвигателя -- Б. Якоби;
1839 г. -- создание первого топливного элемента -- У. Гров;
1843 г. -- описано тепловое действие тока -- Дж. Джоуль;
1859 г. -- первый действующий кислотный свинцовый аккумулятор -- Г. Планте;
1860 г. -- первый эффективный генератор -- Ф. Хефнер-Альтенек [5].
В 1881 году на берегах Сены появился первый электромобиль. В нем использовались кислотные аккумуляторы. Только через 4 года появится первый автомобиль Даймлера и Бенца с двигателем внутреннего сгорания. Именно на электромобиле в 1899 году достигнут фантастический для того времени рекорд скорости -100 км/час.
После создания принципиально нового источника электрической энергии -- электромагнитного генератора -химические источники тока потеряли свое первостепенное значение. Генераторы превзошли своих предшественников по экономическим и техническим параметрам, но ХИТ продолжали совершенствоваться и развиваться как автономные источники для средств связи.
Химическими источниками тока называются устройства, в которых свободная энергия пространственно разделенного окислительно-восстановительного процесса, протекающего между активными веществами, превращается в электрическую энергию.
Новым толчком к совершенствованию ХИТ в начале ХХ века послужило развитие радиотехники и автомобильной промышленности. Первичные элементы и аккумуляторы являлись единственными источниками питания для средств связи, а для автомобилей потребовались стартерные аккумуляторы. Резкому улучшению характеристик ХИТ также способствовало развитие военной техники.
Появление новых разновидностей источников тока после второй мировой войны связано с работами в области авиационной и космической техники. Большое распространение ХИТ обусловлено неизменной эффективностью не зависящей от электрической мощности и условий эксплуатации. Ни один тип источников электрической энергии не обладает такой универсальностью.
Примечателен тот факт, что при одновременном включении всех ХИТ, находящихся в эксплуатации, можно получить мгновенную электрическую мощность соизмеримую с суммарной мощностью всех электростанций мира [6].
Современное производство ХИТ является самостоятельной отраслью электротехнической промышленности. Автоматизация изготовления источников тока явилась одной из причин их выпуска в огромных количествах с высокими удельными характеристиками.
Утилизация отработавших срок службы ХИТ вызвала определенные экологические проблемы. В производстве ХИТ используются ртуть, кадмий, сурьма и другие токсичные химические элементы. Сбор и переработка большого количества источников тока затруднительна. Это послужило причиной для поиска новых материалов и разработки источников тока свободных от токсичных элементов.
Хорошо известные гальванические элементы и аккумуляторы содержат ограниченное количество реагентов и способны в одном цикле "произвести" лишь фиксированную порцию энергии. Однако, есть третий тип ХИТ, в котором окислитель и восстановитель непрерывно подаются, соответственно, к катоду и аноду, а материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ) (см. гл. 2.5).
Первое практическое применение "новый" химический источник тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150 лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными характеристиками и КПД. В нем нет перемещающихся деталей, он бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло. Топливный элемент -- обратимое устройство, с помощью которого можно вырабатывать топливо (разлагать воду на кислород и водород), т.о. он может выполнять роль аккумулятора.
Практическое использование топливных элементов началось в 60-х годах с их использования на борту космических кораблей. Американская корпорация United Technology затратила на разработку ТЭ по проекту "Аполло" около 100 млн. долларов (мощность созданной бортовой установки -- 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации преимуществ "нового" способа получения электроэнергии.
Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого использования ТЭ. От лабораторных исследований до широкого внедрения в энергетике проходит около полувека. Критерием широкого использования можно считать момент, когда новые энергоустановки достигнут 10-процентной доли в общей мощности отрасли. История развития энергетических установок в большой энергетике позволяет оценить прогнозируемые сроки внедрения ТЭ.
Топливный элемент -- сверстник паровой турбины. Лабораторные исследования паровых турбин начались в 70-х годах прошлого века, их экспериментальные образцы возникли в первой половине 80-х годов, демонстрационная модель создана в 1890 году, первая промышленная паротурбинная установка -- в 1895-м, а 10-процентную долю в общей мощности электростанций турбины обеспечили в 1910 году [2].
В атомной энергетике лабораторные исследования велись в 30-х годах, экспериментальная установка была создана в 1941 году, демонстрационная -- в 1953-м, первая промышленная атомная электростанция -- в 1955-м, и лишь в 1978 году доля атомных электростанций в энергетике СССР достигла 10%.
Примером современного маркетинга в энергетике служит деятельность корпораций по завоеванию десятипроцентной доли рынка. В настоящее время американская корпорация H Power Corp. исследует, проектирует, и производит ТЭ. Electro-Chem-Technic и Warsitz (США) производят и продают по низкой цене небольшие ТЭ, главным образом, для школ, колледжей и университетов. Цель состоит в том, чтобы сделать широко известными преимущества основных принципов ТЭ. Энергетическая компания Brooklyn Union (Канада) проводит испытания установочной партии ТЭ мощностью 200 кВт.
2.1. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Современная техника располагает целым рядом электронакопительных устройств. Это -- свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и другие типы аккумуляторов. Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы.
Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.
Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы.
Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят свое значение как одних из самых удобных источников электрической энергии.
Основным достоинством свинцовых аккумуляторов является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры. Напряжение аккумулятора -- это разность потенциалов между полюсами при фиксированной нагрузке. В зависимости от электрохимической системы напряжение на зажимах аккумулятора составляет от 1,2 до 2 В.
