Водородно-кислородный элемент служил в качестве главного источника электрической энергии, на космических кораблях типа «Аполлон», летавших на Луну. Весил элемент, обеспечивающий корабль энергией в течение одиннадцати суток полета, около 250 килограммов. Если бы для такой цели использовался обычный электромеханический генератор электрической энергии, его масса составляла бы несколько тонн.
Создание топливного элемента оказалось нелегким делом. Насколько просты на первый взгляд происходящие в нем реакции, настолько сложно его устройство. Ученым и конструкторам приходится решать подчас сложные проблемы тонкого баланса реакции на трехфазной границе, проблемы тепло- и массопередачи, водного баланса. И тем не менее реальность топливного элемента продемонстрирована, и сейчас электрохимики всего мира изыскивают способы уменьшить его стоимость и увеличить экономическую целесообразность его использования. Особенно сложна проблема катализаторов, которые позволили бы использовать в топливных элементах обычное топливо — уголь, нефть, газ. Как бы то ни было, топливные элементы вполне могут стать конкурентоспособными и занять важное место среди других источников энергии.
Специалисты полагают, что радикальным решением проблемы электромобиля может оказаться применение топливных элементов в комбинации с аккумуляторами. Даже сейчас замена обычного двигателя электрогенератором с батареей из топливных элементов, включающим преобразователь топлива и свинцовый аккумулятор для запуска и пиковых нагрузок, хотя и увеличит массу автомобиля на 300 килограммов, зато вдвое повысит эффективность использования топлива по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и почти на 50 процентов — по сравнению с дизельными.
Трудностей в создании топливного элемента для электромобиля еще много. «Если бы мы имели источники тока, которые весили бы 5 килограммов на киловатт пиковой мощности и 3—5 килограммов на киловатт-час энергии, то техническая проблема их использования в электромобиле, по-видимому, была бы решена,— говорил А. Н. Фрумкин.— На сегодня мы имеем характеристику в 2—3 раза хуже. Но ведь в 3 раза — не в 100 раз хуже! Эта проблема будет решена».
Для большой энергетики перспективнее высокотемпературные топливные элементы (200—1000 °С). В качестве топлива они могут потреблять синтетические продукты — метанол, гидразин, а также каменный уголь. Энергоустановка должна состоять из батареи топливных элементов и установок для подготовки топлива (если будет использован уголь, понадобится генератор для получения окиси углерода). Несмотря на низкий КПД установок переработки топлива, общий КПД всей станции может достигнуть 40 процентов, что уже намного лучше КПД современных электростанций. Кроме того, при этом на 20 процентов сократится расход топлива на выработку того же количества электроэнергии.
Окисление и восстановление
«Любая самая отвлеченная наука видит оправдание своего существования в надежде оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной»,— говорил Оствальд, и эти его слова целиком применимы к современной химии. За какие-нибудь два столетия она приобрела такое большое значение в жизни общества, что можно было бы подумать, будто химики нашли наконец «философский камень», который тщетно искали их предшественники алхимики, и с его помощью создают теперь ежегодно сотни новых веществ, определяющих прогресс промышленности, сельского хозяйства и медицины. Кого теперь удивишь таким известным и, казалось, старым производством, как производство хлора и едкого натра!
Но электролиз хлоридов еще долго будет в числе важнейших промышленных методов: продукты этого производства — хлор, едкий натр (каустическая сода) и водород являются ценным сырьем для химической промышленности. Хлор идет на производство отбеливателей (хлорной извести и тому подобных веществ), соляной кислоты, многих органических растворителей; он является исходным сырьем для производства пластических масс, синтетических волокон, продуктов сельскохозяйственной химии, для дезинфекции (хлорирование воды). Каустическая сода тоже используется при производстве пластмасс и синтетических волокон, а также инсектицидов, глицерина, продуктов целлюлозно-бумажной промышленности.