В топливных элементах происходит электрохимическое или холодное сжигание топлива и отсутствуют потери, неизбежные в тепловых двигателях. К. п. д. топливного элемента не зависит от его мощности.
Существуют элементы газовые топливные, твердотопливные и жидкотопливные, элементы с электролитами расплавленными и твердыми.
Газовый водородно-кислородный элемент (рис. 1) состоит из анода А, катода К, электролита, системы снабжения электродов водородом и кислородом. Электроды состоят из пористого материала (угля или никеля).
Рис.1. Газовый водородно-кислородный элемент
При подаче к электродам водорода и кислорода в элементе происходят реакции. При этом на аноде молекулы воды распадаются на атомы. Атомы водорода теряют электроны и превращаются в положительные ионы, которые переходят в электролит.
Электроны создают на катоде отрицательный заряд и перемещаются по внешней цепи через нагрузку к аноду. На аноде атомы кислорода принимают электроны и превращаются в отрицательные ионы, которые взаимодействуют с положительными ионами водорода и создают радикалы ОН. Последние проходят через электролит и соединяются с ионами водорода, образуя продукт сжигания водорода — воду при температуре t < 100°С.
ТЭГ представляет собой батарею термоэлектрических элементов, соединенных между собой по определенной схеме. Термоэлектрический элемент (рис. 2,а) представляет собой замкнутую электрическую цепь из двух разнородных материалов — металлов или полупроводников.
При нагревании одного контакта этой цепи (горячего спая T1) и охлаждении другого (холодного спая Т2) в цепи возникает электрический ток. Происходит непосредственное преобразование тепла в электроэнергию.
Рис.2. Принципиальные схемы ТЭГ и ТЭМГ: 1,2 — полупроводники типа p и n; 3 — металлический мостик
В зависимости от конструкции ТЭГ делятся на трубчатые и плоские. В качестве греющей среды применяют горячую воду, газ, жидкий металл, радиоактивные изотопы. Термоэлементы соединены между собой последовательно коммутирующими пластинами и изолированы друг от друга и каналов тонким изоляционным температуростойким материалом.
В ТЭМГ используется принцип электронной эмиссии. Различают термоэлектронные и термоионные ТЭМГ.
В термоэлектронных генераторах (вакуумных диодах) используется способность металлов испускать с нагреваемой поверхности поток электронов. В таком диоде через межэлектродное пространство (0,05—0,015 мм) электрические заряды переносятся потоком электронов (рис. 2,б).
В термоионных ТЭМГ (газонаполненных диодах) электрические заряды переносятся легко ионизирующимися газами (парами цезия). При нагреве катода до 1200—2000°С и охлаждении анода катод испускает поток электронов, которые ионизируют газ и вызывают вторичную эмиссию. Ионы направляются к аноду и через нагрузку возвращаются к катоду.
Газонаполненные ТЭМГ делятся на ионные, работающие при малых давлениях ионизируемого газа, и плазменные, работающие при больших давлениях. Наиболее перспективны плазменные ТЭМГ. ТЭМГ могут работать лишь только в сочетании с турбинной установкой, повышая общий к. п. д. всей установки.
Действие МГД-генераторов основано на взаимодействии электропроводящего газа или электропроводящей жидкости с магнитным полем.
Газ (жидкость), движущийся вдоль оси сопла, пересекает магнитные силовые линии, в результате чего в потоке газа создается э. д. с., направленная перпендикулярно направлению магнитных силовых линий и потоку газа (рис. 3).
Рис.3. Схема МГД-генератора кондукционного типа
В МГД-генераторе от продуктов сгорания либо теплоносителя ядерного реактора тепло передается электропроводящему газу (жидкости), который, проходя через сопло, расширяется.
При этом часть тепловой энергии превращается в кинетическую. Большая часть кинетической энергии превращается в электрическую. Газ становится электропроводным при Т ≈ 3000 К; при этом происходит образование плазмы (ионизированного газа). Обычно используют слабо ионизированные газы (гелий и аргон) с добавкой 1 — 1,5% легко ионизируемых щелочных металлов (калия, натрия, цезия, бария).
Различают электродные (кондуктивные) и безэлектродные (индуктивные) МГД-генераторы.
Электродные МГД-генераторы вырабатывают постоянный ток, безэлектродные — переменный. В настоящее время более успешно развиваются МГД-генераторы электродного типа.
Существующие МГД-генераторы, использующие энергию сжигаемого топлива, могут быть эффективно использованы только в сочетании с паро- и газотурбинными установками.
