Технология

Электрохимические преобразователи энергии



 Электрохимические преобразователи энергии.

1. Общие сведения.

  К ЭХП будем относить  электрохимические  генераторы  (ЭХГ),  т.е.  батареи
топливных элементов  (ТЭ)  со  вспомогательными  устройствами  и  химические
аккумуляторные    батареи.    Топливным    элементом    называется    прямой
преобразователь  химической  энергии  в  электрическую,  в  котором  реакция
электрохимического окисления происходит без расхода  вещества  электродов  и
электролита. Исходными реагентами служат горючее  и  окислитель,  обладающие
запасом  энергии  химических  связей,  которая   преобразуется   в   энергию
постоянного  электрического  тока  (при  получении   конечного   химического
продукта  взаимодействия  компонентов   топлива   и   выделении   некоторого
количества тепловой энергии). В обращенном или регенераторном режиме  работы
ТЭ подведенная к нему  электроэнергия  преобразуется  в  химическую  энергию
реагентов топлива.
   Аккумуляторным элементом, входящим в  состав  химической  АБ,  называется
накопитель электрической энергии при ее превращении  в  химическую  энергию,
который осуществляет также и обратное преобразование  химической  энергии  в
электроэнергию  при  изменении  состава  вещества   электродов   и   участии
электролита в токообразующей реакции.
    Характерным  показателем  технического  качества  ЭХП  служит   удельная
энергия W* на единицу массы преобразователя. Применяемые в ЭХГ различные  ТЭ
принципиально могут работать на горючем  органического  или  неорганического
состава. В качестве окислителя используются преимущественно кислород  O2,  а
также перекись водорода H2O2, азотная кислота HNO3, галогены  Cl2,  F2.  При
выборе рабочих  тел  ЭХГ  учитывают:  удельную  энергию,  конечные  продукты
реакции,  стоимость,  агрегатное  состояние  веществ  и  связанную   с   ним
относительную массу тары (контейнеров,  баллонов)  для  хранения  реагентов,
возможность    их    непрерывного    подвода    к    электродам,    скорость
электрохимического взаимодействия (при наличии катализаторов и при  заданных
диапазонах температуры и  давления).  Наиболе  широко  для  ЭХГ  в  качестве
горючего применяется водород H2  и  гидразин  N2O2  в  связи  с  их  высокой
активностью,  легкостью  подвода  и  отвода  конечных   продуктов   реакции,
достаточно  высокой   удельной   энергией.   Известны   разработки   ЭХГ   с
использованием метана CH4, пропана C3H8, а  также  метанола  CH3OH,  аммиака
NH3,   имеющих   относительно   низкую   стоимость.   Представляют   интерес
перспективные  разработки  полутопливных  элементов   (с   подводом   только
окислителя)  на  основе  встроенного  в  элемент   твердотельного   горючего
(металлов Zn,  Al,  Mg,  Li  и  др.).  Отдельные  разновидности  компонентов
топлива  относятся  к  токсичным  веществам,  например,  угарный   газ   CO,
гидразин, аммиак, галогены  и  т.п.  Поэтому  предпочтительно  использование
водород-кислородных ЭХГ, в особенности  для  автономных  бортовых  объектов.
Конечным продуктом реакции данных ЭХГ служат пары  воды,  эти  ЭХГ  являются
экологически  чистыми.  После  сепарации   и   удаления   электролита   вода
используется  в  системах  жизнеобеспечения,  в  частности  на   КЛА,   либо
направляется  для  получения  исходных  продуктов  реакции  (H2  и   O2)   в
регенерационных циклах.
   Общим достоинством ЭХГ  на  ТЭ  является  высокий  КПД.  Применительно  к
автономным объектам существенное  значение  имеет  бесшумность  работы  ЭХГ,
отсутствие  механически  перемещающихся  деталей  и  изнашивающихся  частей.
Ресурс ЭХГ определяется имеющимся запасом топлива (в открытых  циклах)  либо
долговечностью вспомогательного оборудования в  циклах  с      регенерацией;
ресурс ЭХГ может превосходить 104 ч.
    Энергетический  уровень  ЭХГ  при  мощности   АЭУ   P=10   -   100   кВт
характеризуется удельной энергией W*=(1.5 .. 2)*103 кДж/кг на единицу  массы
генератора, заправленного топливом. (Для ряда разновидностей  химических  АБ
значение  W*  на  порядок  меньше.)  В  перспективе  возможно  создание  ЭХГ
мощностью P=103 кВт при КПД h=0.9.
    Недостатки  ЭХГ  состоят  в   сложности   обеспечения   сбалансированных
электрохимических реакций и в относительно малой  удельной  мощности  P*  на
единицу массы генератора. Без учета массы запаса  топлива  параметр  P*=0.15
..  0.2  кВт/кг  несколько  ниже,  чем  в  химической  АБ.  Ввиду  специфики
электрохимических  реакций  из  ЭХГ   нельзя   достаточно   быстро   вывести
электрическую  энергию.  Для  обеспечения  сбалансированной  реакции  в  ЭХГ
необходимо  с  помощью  специальных  подсистем   обеспечить   разделение   и
дозированную  подачу  компонентов  топлива,  а  также  непрерывное  удаление
конечных  продуктов  токообразующей  реакции.  Показатели   ЭХГ   достаточно
чувствительны  к   чистоте   химреагентов,   примеси   существенно   снижают
эффективность ТЭ, их ресурс.

 2. Область применения.

   Применение ЭХГ нашли в основном для энергообеспечения АЭУ,  в  том  числе
подвижных  и  стационарных.  Имеется  значительный  опыт,   накопленный,   в
частности,  за  рубежом  (США),  по  использованию  ЭХГ  в  разработках  для
космических программ "Апполон", "Джеммини", "Скайлеб", "Спейс Шаттл"  и  др.
Проводятся многочисленные разработки и исследования по  применению  ЭХГ  для
наземных  транспортных  установок,  например  электромобилей,  а  также  для
морских судов.
   Традиционно применяемым во многих отраслях  техники  видом  ЭХП  являются
химические  АБ.  Наиболее  широко  распространены   сравнительно   недорогие
свинцово-кислотные АБ. Они достаточно долговечны по числу допустимых  циклов
"заряд - разряд", но имеют  сравнительно  низкую  удельную  энергию  (W*<120
кДж/кг). Распространены также щелочные  никель-железные  и  никель-кадмиевые
АБ, для которых  W*<150  кДж/кг.  Для  АЭУ  разработаны  никель-кадмиевые  и
серебряно-цинковые АБ. Они превосходят свинцово-кислотные АБ по W* в 2  и  3
раза соответственно, но значительно дороже. Никель-кадмиевые АБ  существенно
долговечнее,  чем  свинцово-кислотные.  Серебряно-цинковые   АБ   отличаются
небольшим числом циклов  "заряд  -  разряд",  но  обеспечивают  высокий  КПД
h=0.75 при большой скорости разряда.
   В последние годы  разработаны  химические  АБ  на  основе  аккумуляторных
элементов с  использованием  никеля,  серы,  натрия,  лития  и  др.  Никель-
цинковые  щелочные  АБ  имеют  W*>200  кДж/кг,  но  их  долговечность  мала.
Повышение долговечности  достигается  в  газодиффузионных  никель-водородных
АБ, в которых W*>250 кДж/кг. Еще более высокий  показатель  (W*>500  кДж/кг)
имеют серно-натриевые АБ, но их ресурс составляет 100 - 200 циклов "заряд  -
разряд".  Дальнейшее  повышение  W*  теоретически  до  значений  103  кДж/кг
возможно в литиевых АБ, но их недостаток - малый ресурс  вследствие  высокой
корозионной активности Li.
   Запас энергии в химической АБ принято характеризовать  зарядной  емкостью
(в Ач или Кл), необходимое значение которой зависит от  мощности  и  времени
работы  потребителей  электроэнергии.   Химические   АБ   получили   широкое
распространение  на  транспорте,  в  системах   электростартерного   запуска
авиационных  и  автомобильных   двигателей,   в   судовых   установках,   на
электромобилях, во внутризаводском электротранспорте, на  электропогрузчиках
и т.д.
   В условиях КЛА всегда реализуется параллельная  работа  химической  АБ  с
ФЭП. Последние производят подзарядку АБ в  "дневные"  часы.  Для  автономных
установок, в том числе на КЛА, целесообразно также сочетание ФЭП с  системой
"электролизер - ЭХГ". Часть энергии ФЭП в "дневные"  часы  затрачивается  на
разложение воды, а в "ночные" часы полученные H2 и  O2  обеспечивают  работу
ЭХГ.

  3. Физико - химические процессы в ЭХГ

   Как и в реакции горения  (активируемого,  например,  зажиганием),  стадии
токообразующей электрохимической реакции также  протекают  одновременно,  но
локализованы в различных  областях  внутреннего  пространства  ТЭ.  Основные
данные некоторых применяемых на практике ТЭ приведены в табл. 1. В  качестве
типового   приметра   рассмотрим   работу   водород   -   кислородного   ТЭ.
Стехиометрическое уравнение суммарной реакции:


[pic]
имеет такой же вид, как при горении. Поясним устройство и  принцип  действия
ТЭ, в котором  электрохимическая  реакция  происходит  на  стыках  трех  фаз
состояния  веществ:  газообразной  (восстановителя  H2  и  окислителя   O2),
жидкостной (щелочного  электролита  -  раствора  KOH)  и  твердой  (пористых
металлокерамических электродов). Схема ТЭ показана  на  рис.  1а.  Электроды
анод 1 и катод 2 выполнены из композитного материала
Таблица 1:  Теоретические значения удельных показателей ТЭ для
           разработанных ЭХГ.


|Химические|Напря-жени|                                | | |Энергия на|
|          |е         |Расход на единицу  генерируемой | | |единицу   |
|реагенты  |элемента, |энергии,  г/МДж                 | | |массы     |
|          |В         |                                | | |топлива,  |
|          |          |                                | | |кДж/кг    |
|          |          |горючего  |окислителя|топлива   |          |
| H2  - O2 |   0.9    |  10.6    |    91.6  |  102.2   |  9750    |
| C3H8 - O2|   0.8    |   27     |    91.6  |  118.6   |  8460    |
| NH3 - O2 |   0.7    |  83.4    |   116.6  |   200    |  5000    |
| N2H4 - O2|   0.9    |  91.6    |    91.6  |  183.2   |  5450    |
|N2H4-H2O2 |   0.9    |  91.6    |   197.4  |   289    |  3470    |

Примечание: С  учетом  влияния  необратимых  электрохимических  процессов  в
          реальных ТЭ        удельный расход топлива возрастает в  1.5  -  2
          раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза по сравнению
          с соответствующими  теоретическими  показателями,  приведенными  в
          таблице.

(например, из графитовой керамики с платиновым катализатором).  Электроды  1
и 2 отделены слоем электролита - раствора щелочи KOH, который не  пропускает
нейтральные молекулы или атомы газов водорода  и  кислорода.  Ионизированные
газы, например, ионы H+,  могут  дрейфовать  сквозь  электролит.  Корпус  ТЭ
выполняется из титанового сплава 4, химически не взаимодействующего  с  KOH.
Внешняя цепь ТЭ замкнута сопротивлением Rн нагрузки,  которое  подключено  к
металлическим наплавкам на электродах.
   Газообразные компоненты химического топлива  -  отдающий  свои  электроны
восстановитель H2 и присоединяющий электроны окислитель O2  -  -  непрерывно
подводятся под избыточным давлением к порам анода  и  катода  (рис.  1а)  из
резервуаров с запасом реагентов.
    1.  На  поверхностях  анода,  смоченных   р-ром   KOH,   в   электролите
растворяется газообразный водород и абсорбируется на стенках пор  электрода.
В растворе гидроксид калия находится в диссоциированном состоянии:

                                     [pic]

   Водород в присутствии ионов OH- он легко отдает  электроны  (окисляется),
образуя воду:

                                   [pic]

[pic]
                                                                          а)
   б)


Рис . 1.  Схемы водородно-кислородных топливных элементов:
а - с жидким электролитом (раствором КОН); б - с ионообменной мембраной

2.  На  поверхности  катода   аналогичные   явления   приводят   к   реакции
восстановления кислорода,  который  в  присутствии  воды  отбирает  у  этого
электрода образовавшиеся свободные электроны:

                      [pic]

   В итоге  этих  первой  и  второй  стадий  "холодного  горения"  на  аноде
образуется избыток электронов, а в примыкающем растворе -  недостаток  ионов
гидроксила OH-. На катоде же имеется недостаток электронов, а  в  окружающем
его электролите - избыток ионов H+.  Вследствие  этого  протекают  следующие
две стадии реакции.
   3. По внешнему участку цепи от анода  к  катоду  через  сопротивление  Rн
проходят электроны 4e-, совершая полезную электрическую работу  (направление
тока I противоположно перемещению электронов).
   4. В электролите происходит диффузия ионов  4OH-  с  катода   на  анод  и
посредством ионного тока замыкается электрическая цепь  (согласно  уравнению
непрерывности полного тока div J = 0).
    Если  сложить  реакции   для   первой   и   второй   стадии,   получится
результирующее уравнение реакции [pic], конечным продуктом которой  является
вода. Избыточное количество паров воды  2H2O  удаляют  из  ТЭ,  например,  с
помощью продувки с последующей сепарацией  или  выпариванием.  Очищенная  от
паров электролита, вода может направляться для дальнейшей  утилизации  (рис.
1а).
        Сбалансированный  ход реакций на указанных  стадиях  у  поверхностей
электродов определяется  равновесием  давлений  газовой  и  жидкостной  фаз:
                                pr = pэ + pк ;
здесь  pr   -  внешнее  давление  газообразных  реагентов  (  водорода   или
кислорода ); pэ - гидростатическое давление электролита;  pк =(s cosq)/d -
его капиллярное давление в порах электродов;  s -   поверхностное  натяжение
(H/м); q  - угол смачиваемости; d  - диаметр поры.
       В  изготовляемых  двухслойными  электродах  ЭХГ  поры  выполняются  с
различными значениями  d.Слой, который обращен к газовой среде(Н2 или О2)  и
содержит измельченный катализатор ( например, Pt),  имеет  толщину  d»0.5  ё
0.6 мми поры с d»30 ё 50 мкм. В обращенном к KOH слое с   мм  поры  имеют  d
мкм. Давление pз меньше на [pic]
чем давление [pic] которое препятствует вытеканию  электролита.  Нейтральные
молекулы или атомы газообразных компонентов при этом значении  pr  также  не
могут проникнуть в электролит, преодолев  капилярные  силы.  На  поверхности
электродов обеспечивается равновесие фаз, поэтому через KOH возможно  только
ионов, образовавшихся в результате реакций.
   Наряду с  KOH  в  ТЭ  возможно  использование  кислотного  электролита  -
раствора H2SO4.
   Требующееся  испарение  воды  из  элементов  с  жидкостным  электролитом,
работающих при давлении 5Ч105 Па и  более,  определяет  эксплуатацию  ТЭ  на
среднетемпературном ( 373 - 523 К ) или высокотемпературном ( боле 523  К  )
уровне,  что  обусловливает  необходимость  наличия  в  составе   ЭХГ   ряда
технически  сложных  вспомогательных  устройств.   Для   преодоления   таких
затруднений применительно к АЭУ  разработаны  водород  -  кислородные  ТЭ  с
ионообменными  мембранами  (ИОМ)  в  виде  квазитвердых   веществ   (гелей),
разделяющих   разнополярные   электроды   в   ТЭ.   Изготовляют    ИОМ    из
фтороуглеродистого  аналога  тефлона.  На   полимерной   сетке   -   матрице
закреплены ионы, они могут обмениваться на  другие  ионы,  присутствующие  в
межэлектронной среде.  На  практике  для  ТЭ  применяют  ИОМ  с  сульфатными
катионами, например,
[pic]По своим функциям ИОМ подобна электролиту, она  способна  противостоять
воздеймтвию нейтральных молекул и атомов H2 и O2. Схема ТЭ с  ИОМ  приведена
на рис. 1б. Пористые керамические электроды 1 и  2  прижаты  к  мембране  3.
Контактирующие с ИОМ поверхности  анода  и  катода  покрыты  каталитическими
слоями металла. Принцип работы ТЭ с ИОМ состоит в следующем.
   На аноде подводимый газообразный водород ионизируется по реакции:
                            [pic].
   Ионы водорода под влиянием градиента их концентрации  и  соответствующего
электрического поля перемещаются сквозь ИОМ к катоду, на  котором  протекает
реакция:

                              [pic]

   Электроны 4e- через Rн поступают к катоду.  Полученная  вода  (H2O)n  под
действием градиента ее концентрации возвращается к аноду. Две молекулы  воды
(2H2O), образующиеся в элементарном акте  реакции,  необходимо  отводить  из
зоны реакции, например, дренажным устройством. При  работе  ТЭ  гель  в  ИОМ
набухает и находится, как указывалось, в квазитвердом состоянии.
   Кроме ИОМ в ТЭ применяются также  капилярные  мембраны  типа  волокнистых
материалов, пропитанных щелочным электролитом  (например,  асбест).  Принцип
действия  ТЭ  с  капилярными  мембранами  такой  же,  как  ТЭ  с  жидкостным
электролитом.
    В отдельных установках возможно использование ЭХГ с ТЭ,  работающими  на
других компонентах  топлива,  кроме  H2  -  O2.  Итоговая  электрохимическая
реакция окисления восстановителя Red  и  восстановителя  Ox  имеет  в  общем
случае вид

                                    [pic]

    В  ТЭ  имеет  место  встречное  движение  разнополярных   ионов   внутри
электролита и переход электронов от анода  к  катоду  по  сопротивлению  Rн,
замыкающему внешнюю цепь.  При  этом  осуществляется  прямое  преобразование
энергии химических связей Red и Ox в  электрическую  энергию.  Конкретизацию
общей формы  записи  токообразующих  реакций  рассмотрим  примере  окисления
гидразина  N2H4.  Реакция  окисления  гидразина  имеет  место  в  ЭХГ  малой
мощности.
   Анодное окисление гидразина:

                               [pic]

   Катодное восстановление кислорода:

                              [pic]

   Суммарное стехиометрическое уравнение реакции:

                              [pic]



 График зависимости U от I

[pic]


                                                                          а)
б)

Рис. 2: Характеристики водородно - кислородного ЭХГ:
                  а - общая форма  характеристикии  и  зависимость  полезной
        мощности от тока;
         б - аналоги внешней характеристики  -  зависимости  напряжения   от
        плотности  тока  для  ТЭ  различного   исполнения   (1-с   раствором
        электролита; 2-с капилярной мембраной; 3-с ИОМ при Т=355 К; 4-с  ИОМ
        при Т=313 К).


 Внешняя характеристика U=f(I).
   Отклонение от состояния равновесия при работе ТЭ практически  приводит  к
уменьшению напряжения и снижению КПД по сравнению  с  их  термодинамическими
значениями вследствие изменения потенциала катода и  анода  при  прохождении
тока в  цепи  ТЭ.  Совокупность  этих  явлений  называют  поляризацией.  При
совершении  работы  выхода  (активации)  из  металла  электрода  в   раствор
электролита  электрон  преодолевает   потенциальный   барьер,   образованный
двойным слоем разноименных  зарядов.  На  границе  "электрод  -  электролит"
наблюдается различие концентраций  ионизированных  реагентов.  Электролит  и
электроды имеют собственное внутреннее сопротивление. Упрощенно,  совместное
влияние перечисленных эффектов можно учесть с помощью падения напряжения  на
нелинейном внутреннем сопротивлении  ТЭ  Rвн.  При  этом  уравнение  внешней
характеристики приближенно записывается в виде
                   U = Eн - IRвн.
где Eн - ЭДС при  нагрузке,  учитывающая  активационную  и  концентрационную
поляризацию;  сопротивление  электролита  Rэл  практически   равно   Rвн   и
учитывает "омическую" поляризацию.
   Общая форма внешней характеристики  ЭХГ  показана  на  рис.  2а.  Большая
крутизна | dU / dI | при  малых  и  повышенных  значениях  тока  обусловлена
соответственно поляризацией активации электродов (участок 1) и  приграничной
поляризацией концентрации (участок 3). Линейный  участок  2  с  относительно
малой крутизной |  dU  /  dI  |  отражает  влияние  в  основном  "омической"
поляризации. На рис. 2б. приведены аналоги внешних характеристик  U  =  U(J)
для конкретных
[pic]
Рис. 3: Схемы ЭХГ:
            а   -    последовательно-параллельное    соединение    топливных
               элементов;
                б -  упрощенная электрическая схема замещения.


ТЭ. Геометрическая  плотность  тока  J  (на  единицу  кажущейся  поверхности
электрода) может при кратковременных режимах достигать 0.1 - 0.2 А/см2.

   Электрическая схема ЭХГ, построенная  по  матричному  принципу,  дана  на
рис. 3а;  (Iэ, Uэ - ток и напряжение  ТЭ).  Упрощенная  схема  замещения  ТЭ
представленна на  рис. 3б. сли при T = const рассматривать ТЭ  как  линейный
элемент с постоянными эквивалентными параметрами

                      [pic]     [pic]
где Rн, Lн - сопротивление и индуктивность нагрузки;  Lэ,т  -  индуктивность
электродови токоотводов, то процесс разряда ТЭ описывается уравнением:
                      [pic]    [pic]

Здесь [pic] установившийся ток нагрузки;
        [pic] эквивалентная постоянная времени.



Электроэнергетические установки на базе электрохимических генераторов.

   ЭХГ в целом кроме батареи ТЭ  и  вспомогательного  оборудования  включает
ряд  блоков,  снабженных  взаимными  прямыми   и   обратными   связями   для
обеспечения функционирования в заданном режиме. Можно  классифицировать  ЭХГ
как   техническую   систему,   состоящую   из   соответствующих   подсистем.
Укрупненная схема ЭХГ (рис.  4.)  в  качестве  главной  подсистемы  содержит
батарею топливных элементов БТЭ, а также подсистемы: хранения горючего   ПХГ
и окислителя ПХО; обработки горючего ПОГ и окислителя ПОО;  подачи  горючего
ППГ и окислителя ППО. Наряду с ними  имеются  подсистемы  отводов  продуктов
реакции ПОПР, теплоотвода  ПТО  и  подсистема  контроля  и  автоматики  ПКА,
которая соединена двусторонними связями с подсистемами подачи  и  отвода.  К
подсистеме потребления и регулирования электроэнергии ППРЭ подключена БТЭ.
   Применительно к водород - кислородному  ЭХГ  в  ПХГ,  ПХО  осуществляется
криогенное хранение сжиженных компонентов топлива, в ПОГ,  ПОО  производится
нагрев H2 и O2 , которые в газообразном состоянии  подводятся  к  ППГ,  ППО.
Эти  подсистемы  производят  дозированную  подачу  реагентов  при   заданных
параметрах  (давлении,  температуре)   в   БТЭ,   где   происходит   реакция
электрохимического окисления. Удаление паров воды в ЭХГ выполняет ПОПР.  Для
ЭХГ, применяемых на КЛА, важное значение имеет ПТО,  содержащая  холодильник
-  излучатель,  к  которому  тепло  доставляется  с  помощью  циркуляционных
устройств с жидкостным теплоносителем.
    Для  КЛА  многоразового  использования  "Спейс  Шаттл"  фирма  "Дженерал
Электрик"  (США)  выполнила  ЭХГ  с  водород  -  кислородными  ТЭ,  имеющими
позолоченные электроды с  платиновыми  катализаторами.  Электроды  разделены
ИОМ, во избежание высушивания которых  организован  отвод  тепла  от  анода,
что создает движущий градиент концентрации  для  возвращения  H2O  к  аноду.
Отвод  воды  -  продукта  реакции  -  реализован  с  помощью   автоматически
действующей схемы  с  микропористым  сепаратором  и  волокнистыми  фитилями,
выступающими из сборки ТЭ. На рис. 5. дана упрощенная  функциональная  схема
подобного ЭХГ, в составе которого находится батарея топливных элементов  БТЭ
из 76 ТЭ с ИОМ.
[pic]

Рис. 4. Функциональная схема ЭХГ с ТЭ на  ИОМ  (  1  -  теплообменник;  2  -
сепаратор воды; 3 -  блок  увлажнения  реагентов  и  регулирования  давления
воды; 4 - компенсатор давления электролита; 5, 6  насосы;   7  -  излучатель
тепла; 8 - тракт продувки кислорода; 9 - тракт отвода  Н2О  в  сборный  бак)


Две секции БТЭ,  имеющие  по  38  ТЭ,  соединены  параллельно  и  генерируют
электрическую мощность 5 кВт. Батарея размещена в цилиндрическом  контейнере
диаметром 0,33 м  и  габаритной  длиной  0,94  м.  Удельная  масса  БТЭ  без
заправки равна 11 кг/кВт. Эксперименты показали,  что  сборка   ТЭ  способна
работать более 5000 ч без деградации ИОМ при температуре до 455 К.
   На  КЛА  многоразового  использования  "Буран"  установлены  четыре   ЭХГ
мощностью по 10 кВт ( суммарная мощность 40 кВт ) серии "Фотон"  на  водород
- кислородном топливе H2 - О2. Напряжение одного генератора,  состоящего  из
128  топливных   элементов,   составляет   29,2   В   (   схема   генератора
содержитчетыре  параллельные   ветви,   в   каждой   из   которых   включено
последовательно по 32 элемента). Масса ЭХГ  составляет  145  кг,  масса  его
блока автоматики - 15 кг ( удельная масса 14,5  кг/кВт,  а  с  учетом  блока
автоматики - 16 кг/кВт ). Ресурс ЭХГ равен 2000 ч, его КПД 62%
 Для длительной эксплуатации в АЭУ перспективны  установки,  в  которых  ЭХГ
работает совместно с регенератором компонентов  топлива,  разлагающим   воду
на водород и кислород. Электролиз воды требует подведения извне энергии  для
разрыва валентной химической связи
Н - О - Н. При мощностях менее 1 кВт целесообразно  интегральное  исполнение
ЭХГ и электролизера воды (ЭВ). При  более  высоких  электрических  мощностях
ЭХГ и электролизер  воды  в  раздельном  исполнении  имеют  лучшие  технико-
экономические показатели, чем у интегрального устройства. В  зависимости  от
вида подводимой к регенератору Р энергии  принципиально  возможны  различные
способы разложения воды. Высоким КПД отличается электролиз  при  пропускании
через  Н2О  электрического  тока:  отношение  теплоты  сгорания  полученного
топлива к энергозатратам на  выделение  Н2  и  О2  достигает  70  -  80%.  В
особенности электролиз эффективен для АЭУ на КЛА при использовании Солнца  в
качестве источника первичной энергии  с  последующим  ее  преобразованием  в
ФЭП.
   Разложение воды на Н2 и О2 можно реализовать  непосредственно  в  ТЭ  при
пропускании тока в обратном направлении по отношению  к  току  генераторного
режима,  используя  принцип   обратимости   ТЭ,   который   выполняет   роль
электролизной ячейки. При  таком  способе  регенерации  компонентов  топлива
ресурс регенеративного ТЭ ограничен объемом резервуаров для  хранения  Н2  и
О2. Известны регенеративные ТЭ, в которых полученные газы Н2 и  О2  хранятся
в пористых или губчатых устройствах внутри ТЭ. Данный  тип  ТЭ  по  принципу
дествия формально аналогичегн химической АБ,  причем  электрическая  емкость
регенеративного ТЭ определяется количеством  адсорбированных  газов.  Как  и
ТЭ,  возможно  выполнение  электролизной  ячейки  с  электролитом,  ИОМ  или
капиллярной   мембраной.   Прикладываемое   к   электролизной   ячейке   при
электролизе  напряжение  на  30  -  80%  должно   превосходить   напряжение,
генерируемое ТЭ, поскольку поляризационные эффекты  в  электролизной  ячейке
проявляются сильнее, чем в ТЭ.
    Регенеративная   электроэнергетическая   установка   (РЭУ)   космической
долговременной  технологической  базы  включает  восемь  идентичных  модулей
данного типа, средняя энергетическая мощность каждого из которых  составляет
12,5 кВт. Газовые баллоны рассчитаны на запас  реагентов  9-11  кг,  рабочее
давление в баллонах поддерживается в диапазоне (6.9 ё 27.6) 105 Па. За  один
цикл разрядного режима  расходуется  3.03  кг  реагентов  (условная  степень
разрядки  33%).   Регулятор   постоянного   тока,   компенсирующий   падение
напряжения на выходе ЭХГ, позволяет вдвое повысить ресурс ТЭ, который  может
доходить до 10 лет.



                              Список сокращений:

ЭХП - электрохимический преобразователь;
ЭХГ - электрохимический генератор;
ТЭ   - топливный элемент;
КЛА - космический летательный аппарат;
АБ   - аккумуляторная батарея;
АЭУ - автономная энергетическая установка;
ФЭП - фотоэлектрические преобразователи;
ИОМ - ионообменная мембрана;
БТЭ  - батарея топливных элементов;
ПХГ - подсистема хранения горючего;
ПХО -   ==||==      ==||==    окислителя;
ПОГ - ==||== обработки Г.;
ПОО - ==||== ==||== O.;
ППГ  - ==||== подачи Г.;
ППО -  ==||== ==||== О.;
ПОПР - ==||== отвода продуктов реакции;
ПТО - ==||== теплоотвода;
ПКА - ==||== контроля и автоматики;
ППРЭ - ==||== потребления и регулирования электроэнергии;
РЭУ - регенеративная электроэнергетическая установка.



Литература:  Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины.
М.:Энергоатомиздат, 1993.


смотреть на рефераты похожие на "Электрохимические преобразователи энергии"