|
Электрохимические преобразователи энергии
Ýëåêòðîõèìè÷åñêèå
ïðåîáðàçîâàòåëè
ýíåðãèè.
1.
Îáùèå
ñâåäåíèÿ.
Ê ÝÕÏ
áóäåì
îòíîñèòü
ýëåêòðîõèìè÷åñêèå
ãåíåðàòîðû
(ÝÕÃ), ò.å.
áàòàðåè
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ
(ÒÝ) ñî
âñïîìîãàòåëüíûìè
óñòðîéñòâàìè
è
õèìè÷åñêèå
àêêóìóëÿòîðíûå
áàòàðåè. Òîïëèâíûì
ýëåìåíòîì íàçûâàåòñÿ
ïðÿìîé
ïðåîáðàçîâàòåëü
õèìè÷åñêîé
ýíåðãèè â
ýëåêòðè÷åñêóþ,
â êîòîðîì ðåàêöèÿ
ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî
îêèñëåíèÿ ïðîèñõîäèò
áåç ðàñõîäà
âåùåñòâà
ýëåêòðîäîâ è
ýëåêòðîëèòà.
Èñõîäíûìè
ðåàãåíòàìè
ñëóæàò
ãîðþ÷åå è
îêèñëèòåëü,
îáëàäàþùèå çàïàñîì
ýíåðãèè
õèìè÷åñêèõ
ñâÿçåé, êîòîðàÿ
ïðåîáðàçóåòñÿ
â ýíåðãèþ
ïîñòîÿííîãî
ýëåêòðè÷åñêîãî
òîêà (ïðè
ïîëó÷åíèè
êîíå÷íîãî
õèìè÷åñêîãî
ïðîäóêòà
âçàèìîäåéñòâèÿ
êîìïîíåíòîâ
òîïëèâà è
âûäåëåíèè íåêîòîðîãî
êîëè÷åñòâà
òåïëîâîé
ýíåðãèè). Â
îáðàùåííîì
èëè
ðåãåíåðàòîðíîì
ðåæèìå ðàáîòû
ÒÝ
ïîäâåäåííàÿ
ê íåìó
ýëåêòðîýíåðãèÿ
ïðåîáðàçóåòñÿ
â
õèìè÷åñêóþ
ýíåðãèþ
ðåàãåíòîâ
òîïëèâà.
Àêêóìóëÿòîðíûì
ýëåìåíòîì, âõîäÿùèì
â ñîñòàâ
õèìè÷åñêîé
ÀÁ, íàçûâàåòñÿ
íàêîïèòåëü
ýëåêòðè÷åñêîé
ýíåðãèè ïðè
åå
ïðåâðàùåíèè
â
õèìè÷åñêóþ
ýíåðãèþ,
êîòîðûé
îñóùåñòâëÿåò
òàêæå è
îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå
õèìè÷åñêîé
ýíåðãèè â ýëåêòðîýíåðãèþ
ïðè
èçìåíåíèè
ñîñòàâà âåùåñòâà
ýëåêòðîäîâ è
ó÷àñòèè
ýëåêòðîëèòà â
òîêîîáðàçóþùåé
ðåàêöèè.
Õàðàêòåðíûì
ïîêàçàòåëåì
òåõíè÷åñêîãî
êà÷åñòâà
ÝÕÏ ñëóæèò
óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ
W* íà
åäèíèöó ìàññû
ïðåîáðàçîâàòåëÿ.
Ïðèìåíÿåìûå
â ÝÕà ðàçëè÷íûå
ÒÝ
ïðèíöèïèàëüíî
ìîãóò
ðàáîòàòü íà
ãîðþ÷åì
îðãàíè÷åñêîãî
èëè
íåîðãàíè÷åñêîãî
ñîñòàâà. Â
êà÷åñòâå
îêèñëèòåëÿ èñïîëüçóþòñÿ
ïðåèìóùåñòâåííî
êèñëîðîä O2, à
òàêæå
ïåðåêèñü
âîäîðîäà H2O2,
àçîòíàÿ
êèñëîòà HNO3,
ãàëîãåíû Cl2, F2.
Ïðè âûáîðå
ðàáî÷èõ òåë
ÝÕÃ
ó÷èòûâàþò:
óäåëüíóþ
ýíåðãèþ,
êîíå÷íûå
ïðîäóêòû
ðåàêöèè,
ñòîèìîñòü,
àãðåãàòíîå
ñîñòîÿíèå
âåùåñòâ è
ñâÿçàííóþ ñ
íèì
îòíîñèòåëüíóþ
ìàññó òàðû
(êîíòåéíåðîâ,
áàëëîíîâ) äëÿ
õðàíåíèÿ
ðåàãåíòîâ,
âîçìîæíîñòü
èõ íåïðåðûâíîãî
ïîäâîäà ê
ýëåêòðîäàì,
ñêîðîñòü
ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî
âçàèìîäåéñòâèÿ
(ïðè íàëè÷èè êàòàëèçàòîðîâ
è ïðè
çàäàííûõ
äèàïàçîíàõ
òåìïåðàòóðû
è äàâëåíèÿ).
Íàèáîëå
øèðîêî äëÿ
ÝÕÃ â
êà÷åñòâå
ãîðþ÷åãî
ïðèìåíÿåòñÿ âîäîðîä
H2 è
ãèäðàçèí N2O2
â ñâÿçè ñ èõ
âûñîêîé
àêòèâíîñòüþ,
ëåãêîñòüþ
ïîäâîäà è
îòâîäà
êîíå÷íûõ
ïðîäóêòîâ ðåàêöèè,
äîñòàòî÷íî
âûñîêîé
óäåëüíîé
ýíåðãèåé.
Èçâåñòíû
ðàçðàáîòêè
ÝÕÃ ñ èñïîëüçîâàíèåì
ìåòàíà CH4,
ïðîïàíà C3H8,
à òàêæå
ìåòàíîëà CH3OH,
àììèàêà NH3,
èìåþùèõ
îòíîñèòåëüíî
íèçêóþ
ñòîèìîñòü.
Ïðåäñòàâëÿþò
èíòåðåñ
ïåðñïåêòèâíûå
ðàçðàáîòêè
ïîëóòîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ (ñ
ïîäâîäîì
òîëüêî îêèñëèòåëÿ)
íà îñíîâå
âñòðîåííîãî
â ýëåìåíò òâåðäîòåëüíîãî
ãîðþ÷åãî
(ìåòàëëîâ Zn, Al, Mg, Li
è äð.). Îòäåëüíûå
ðàçíîâèäíîñòè
êîìïîíåíòîâ
òîïëèâà
îòíîñÿòñÿ ê
òîêñè÷íûì
âåùåñòâàì, íàïðèìåð,
óãàðíûé ãàç
CO, ãèäðàçèí,
àììèàê, ãàëîãåíû
è ò.ï. Ïîýòîìó
ïðåäïî÷òèòåëüíî
èñïîëüçîâàíèå
âîäîðîä-êèñëîðîäíûõ
ÝÕÃ, â îñîáåííîñòè
äëÿ
àâòîíîìíûõ
áîðòîâûõ îáúåêòîâ.
Êîíå÷íûì
ïðîäóêòîì
ðåàêöèè
äàííûõ ÝÕÃ
ñëóæàò ïàðû
âîäû, ýòè ÝÕÃ
ÿâëÿþòñÿ ýêîëîãè÷åñêè
÷èñòûìè.
Ïîñëå
ñåïàðàöèè è
óäàëåíèÿ
ýëåêòðîëèòà
âîäà
èñïîëüçóåòñÿ
â ñèñòåìàõ
æèçíåîáåñïå÷åíèÿ,
â ÷àñòíîñòè
íà ÊËÀ, ëèáî
íàïðàâëÿåòñÿ
äëÿ
ïîëó÷åíèÿ
èñõîäíûõ
ïðîäóêòîâ
ðåàêöèè (H2 è O2)
â
ðåãåíåðàöèîííûõ
öèêëàõ.
Îáùèì
äîñòîèíñòâîì
ÝÕÃ íà ÒÝ ÿâëÿåòñÿ
âûñîêèé ÊÏÄ.
Ïðèìåíèòåëüíî
ê àâòîíîìíûì
îáúåêòàì
ñóùåñòâåííîå
çíà÷åíèå
èìååò
áåñøóìíîñòü
ðàáîòû ÝÕÃ,
îòñóòñòâèå
ìåõàíè÷åñêè
ïåðåìåùàþùèõñÿ
äåòàëåé è
èçíàøèâàþùèõñÿ
÷àñòåé.
Ðåñóðñ ÝÕÃ îïðåäåëÿåòñÿ
èìåþùèìñÿ
çàïàñîì
òîïëèâà (â
îòêðûòûõ
öèêëàõ) ëèáî
äîëãîâå÷íîñòüþ
âñïîìîãàòåëüíîãî
îáîðóäîâàíèÿ
â öèêëàõ ñ
ðåãåíåðàöèåé;
ðåñóðñ ÝÕÃ
ìîæåò ïðåâîñõîäèòü
104 ÷.
Ýíåðãåòè÷åñêèé
óðîâåíü ÝÕÃ
ïðè ìîùíîñòè
ÀÝÓ P=10 - 100 êÂò
õàðàêòåðèçóåòñÿ
óäåëüíîé
ýíåðãèåé W*=(1.5
.. 2)*103 êÄæ/êã íà
åäèíèöó
ìàññû
ãåíåðàòîðà,
çàïðàâëåííîãî
òîïëèâîì. (Äëÿ
ðÿäà
ðàçíîâèäíîñòåé
õèìè÷åñêèõ
ÀÁ çíà÷åíèå
W* íà ïîðÿäîê
ìåíüøå.) Â
ïåðñïåêòèâå
âîçìîæíî
ñîçäàíèå
ÝÕÃ
ìîùíîñòüþ P=103
êÂò ïðè ÊÏÄ h=0.9.
Íåäîñòàòêè
ÝÕÃ ñîñòîÿò
â ñëîæíîñòè
îáåñïå÷åíèÿ
ñáàëàíñèðîâàííûõ
ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ
ðåàêöèé è â
îòíîñèòåëüíî
ìàëîé
óäåëüíîé
ìîùíîñòè P* íà
åäèíèöó
ìàññû
ãåíåðàòîðà.
Áåç ó÷åòà ìàññû
çàïàñà
òîïëèâà
ïàðàìåòð P*=0.15 ..
0.2 êÂò/êã
íåñêîëüêî
íèæå, ÷åì â
õèìè÷åñêîé
ÀÁ. Ââèäó
ñïåöèôèêè
ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ
ðåàêöèé èç
ÝÕÃ íåëüçÿ
äîñòàòî÷íî
áûñòðî
âûâåñòè
ýëåêòðè÷åñêóþ
ýíåðãèþ. Äëÿ
îáåñïå÷åíèÿ
ñáàëàíñèðîâàííîé
ðåàêöèè â ÝÕÃ
íåîáõîäèìî
ñ ïîìîùüþ
ñïåöèàëüíûõ
ïîäñèñòåì
îáåñïå÷èòü
ðàçäåëåíèå è
äîçèðîâàííóþ
ïîäà÷ó
êîìïîíåíòîâ
òîïëèâà, à
òàêæå
íåïðåðûâíîå
óäàëåíèå
êîíå÷íûõ
ïðîäóêòîâ
òîêîîáðàçóþùåé
ðåàêöèè.
Ïîêàçàòåëè ÝÕÃ
äîñòàòî÷íî
÷óâñòâèòåëüíû
ê ÷èñòîòå
õèìðåàãåíòîâ,
ïðèìåñè
ñóùåñòâåííî
ñíèæàþò ýôôåêòèâíîñòü
ÒÝ, èõ ðåñóðñ.
2.
Îáëàñòü
ïðèìåíåíèÿ.
Ïðèìåíåíèå
ÝÕÃ íàøëè â
îñíîâíîì äëÿ
ýíåðãîîáåñïå÷åíèÿ
ÀÝÓ, â òîì
÷èñëå ïîäâèæíûõ
è
ñòàöèîíàðíûõ.
Èìååòñÿ
çíà÷èòåëüíûé
îïûò,
íàêîïëåííûé,
â
÷àñòíîñòè,
çà ðóáåæîì
(ÑØÀ), ïî
èñïîëüçîâàíèþ
ÝÕÃ â ðàçðàáîòêàõ
äëÿ
êîñìè÷åñêèõ
ïðîãðàìì
"Àïïîëîí",
"Äæåììèíè",
"Ñêàéëåá",
"Ñïåéñ
Øàòòë" è äð.
Ïðîâîäÿòñÿ
ìíîãî÷èñëåííûå
ðàçðàáîòêè
è
èññëåäîâàíèÿ
ïî
ïðèìåíåíèþ
ÝÕÃ äëÿ íàçåìíûõ
òðàíñïîðòíûõ
óñòàíîâîê,
íàïðèìåð
ýëåêòðîìîáèëåé,
à òàêæå äëÿ
ìîðñêèõ
ñóäîâ.
Òðàäèöèîííî
ïðèìåíÿåìûì
âî ìíîãèõ
îòðàñëÿõ
òåõíèêè
âèäîì ÝÕÏ
ÿâëÿþòñÿ õèìè÷åñêèå
ÀÁ. Íàèáîëåå
øèðîêî
ðàñïðîñòðàíåíû
ñðàâíèòåëüíî
íåäîðîãèå
ñâèíöîâî-êèñëîòíûå
ÀÁ. Îíè
äîñòàòî÷íî
äîëãîâå÷íû
ïî ÷èñëó
äîïóñòèìûõ
öèêëîâ
"çàðÿä - ðàçðÿä",
íî èìåþò
ñðàâíèòåëüíî
íèçêóþ
óäåëüíóþ
ýíåðãèþ (W*<120
êÄæ/êã).
Ðàñïðîñòðàíåíû
òàêæå
ùåëî÷íûå íèêåëü-æåëåçíûå
è
íèêåëü-êàäìèåâûå
ÀÁ, äëÿ êîòîðûõ
W*<150 êÄæ/êã. Äëÿ
ÀÝÓ
ðàçðàáîòàíû
íèêåëü-êàäìèåâûå
è
ñåðåáðÿíî-öèíêîâûå
ÀÁ. Îíè
ïðåâîñõîäÿò
ñâèíöîâî-êèñëîòíûå
ÀÁ ïî W* â 2 è 3
ðàçà
ñîîòâåòñòâåííî,
íî
çíà÷èòåëüíî
äîðîæå.
Íèêåëü-êàäìèåâûå
ÀÁ
ñóùåñòâåííî
äîëãîâå÷íåå,
÷åì
ñâèíöîâî-êèñëîòíûå.
Ñåðåáðÿíî-öèíêîâûå
ÀÁ
îòëè÷àþòñÿ
íåáîëüøèì
÷èñëîì
öèêëîâ
"çàðÿä -
ðàçðÿä", íî
îáåñïå÷èâàþò
âûñîêèé ÊÏÄ h=0.75
ïðè áîëüøîé
ñêîðîñòè
ðàçðÿäà.
Â
ïîñëåäíèå
ãîäû
ðàçðàáîòàíû
õèìè÷åñêèå
ÀÁ íà îñíîâå
àêêóìóëÿòîðíûõ
ýëåìåíòîâ ñ
èñïîëüçîâàíèåì
íèêåëÿ, ñåðû,
íàòðèÿ,
ëèòèÿ è äð.
Íèêåëü-öèíêîâûå
ùåëî÷íûå ÀÁ
èìåþò W*>200
êÄæ/êã, íî èõ
äîëãîâå÷íîñòü
ìàëà.
Ïîâûøåíèå
äîëãîâå÷íîñòè
äîñòèãàåòñÿ
â
ãàçîäèôôóçèîííûõ
íèêåëü-âîäîðîäíûõ
ÀÁ, â êîòîðûõ W*>250
êÄæ/êã. Åùå
áîëåå
âûñîêèé
ïîêàçàòåëü (W*>500
êÄæ/êã) èìåþò
ñåðíî-íàòðèåâûå
ÀÁ, íî èõ ðåñóðñ
ñîñòàâëÿåò 100 -
200 öèêëîâ
"çàðÿä -
ðàçðÿä". Äàëüíåéøåå
ïîâûøåíèå W*
òåîðåòè÷åñêè
äî çíà÷åíèé
103 êÄæ/êã
âîçìîæíî â
ëèòèåâûõ ÀÁ,
íî èõ íåäîñòàòîê
- ìàëûé
ðåñóðñ
âñëåäñòâèå
âûñîêîé êîðîçèîííîé
àêòèâíîñòè
Li.
Çàïàñ
ýíåðãèè â
õèìè÷åñêîé
ÀÁ ïðèíÿòî
õàðàêòåðèçîâàòü
çàðÿäíîé
åìêîñòüþ (â
À÷ èëè Êë),
íåîáõîäèìîå
çíà÷åíèå
êîòîðîé
çàâèñèò îò
ìîùíîñòè è
âðåìåíè
ðàáîòû
ïîòðåáèòåëåé
ýëåêòðîýíåðãèè.
Õèìè÷åñêèå
ÀÁ ïîëó÷èëè
øèðîêîå
ðàñïðîñòðàíåíèå
íà
òðàíñïîðòå, â
ñèñòåìàõ
ýëåêòðîñòàðòåðíîãî
çàïóñêà
àâèàöèîííûõ
è àâòîìîáèëüíûõ
äâèãàòåëåé,
â ñóäîâûõ óñòàíîâêàõ,
íà
ýëåêòðîìîáèëÿõ,
âî âíóòðèçàâîäñêîì
ýëåêòðîòðàíñïîðòå,
íà ýëåêòðîïîãðóç÷èêàõ
è ò.ä.
Â
óñëîâèÿõ
ÊËÀ âñåãäà
ðåàëèçóåòñÿ
ïàðàëëåëüíàÿ
ðàáîòà
õèìè÷åñêîé
ÀÁ ñ ÔÝÏ.
Ïîñëåäíèå
ïðîèçâîäÿò
ïîäçàðÿäêó
ÀÁ â "äíåâíûå"
÷àñû. Äëÿ
àâòîíîìíûõ
óñòàíîâîê, â òîì
÷èñëå íà ÊËÀ,
öåëåñîîáðàçíî
òàêæå
ñî÷åòàíèå
ÔÝÏ ñ
ñèñòåìîé
"ýëåêòðîëèçåð
- ÝÕÃ". ×àñòü
ýíåðãèè ÔÝÏ
â "äíåâíûå"
÷àñû
çàòðà÷èâàåòñÿ
íà
ðàçëîæåíèå
âîäû, à â
"íî÷íûå"
÷àñû
ïîëó÷åííûå H2
è O2
îáåñïå÷èâàþò
ðàáîòó ÝÕÃ.
3. Ôèçèêî
- õèìè÷åñêèå
ïðîöåññû â
ÝÕÃ
Êàê è â
ðåàêöèè
ãîðåíèÿ
(àêòèâèðóåìîãî,
íàïðèìåð,
çàæèãàíèåì),
ñòàäèè
òîêîîáðàçóþùåé
ýëåêòðîõèìè÷åñêîé
ðåàêöèè òàêæå
ïðîòåêàþò
îäíîâðåìåííî,
íî ëîêàëèçîâàíû
â ðàçëè÷íûõ
îáëàñòÿõ
âíóòðåííåãî
ïðîñòðàíñòâà
ÒÝ. Îñíîâíûå
äàííûå
íåêîòîðûõ
ïðèìåíÿåìûõ
íà ïðàêòèêå
ÒÝ ïðèâåäåíû â
òàáë. 1. Â
êà÷åñòâå
òèïîâîãî
ïðèìåòðà
ðàññìîòðèì
ðàáîòó
âîäîðîä -
êèñëîðîäíîãî
ÒÝ. Ñòåõèîìåòðè÷åñêîå
óðàâíåíèå
ñóììàðíîé
ðåàêöèè:
èìååò
òàêîé æå âèä,
êàê ïðè
ãîðåíèè.
Ïîÿñíèì
óñòðîéñòâî
è ïðèíöèï
äåéñòâèÿ ÒÝ,
â êîòîðîì
ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ
ðåàêöèÿ
ïðîèñõîäèò
íà ñòûêàõ
òðåõ ôàç
ñîñòîÿíèÿ
âåùåñòâ:
ãàçîîáðàçíîé
(âîññòàíîâèòåëÿ
H2 è
îêèñëèòåëÿ O2),
æèäêîñòíîé
(ùåëî÷íîãî
ýëåêòðîëèòà
- ðàñòâîðà KOH) è
òâåðäîé
(ïîðèñòûõ
ìåòàëëîêåðàìè÷åñêèõ
ýëåêòðîäîâ).
Ñõåìà ÒÝ
ïîêàçàíà íà ðèñ.
1à. Ýëåêòðîäû
àíîä 1 è êàòîä 2
âûïîëíåíû
èç êîìïîçèòíîãî
ìàòåðèàëà
Òàáëèöà
1:
Òåîðåòè÷åñêèå
çíà÷åíèÿ óäåëüíûõ
ïîêàçàòåëåé
ÒÝ äëÿ
ðàçðàáîòàííûõ
ÝÕÃ. Õèìè÷åñêèå ðåàãåíòû Íàïðÿ-æåíèå ýëåìåíòà,  Ðàñõîä íà åäèíèöó ãåíåðèðóåìîé ýíåðãèè, ã/ÌÄæ Ýíåðãèÿ íà åäèíèöó ìàññû òîïëèâà, êÄæ/êã ãîðþ÷åãî îêèñëèòåëÿ òîïëèâà 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
Ïðèìå÷àíèå:
Ñ ó÷åòîì
âëèÿíèÿ
íåîáðàòèìûõ
ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ
ïðîöåññîâ â
ðåàëüíûõ ÒÝ óäåëüíûé
ðàñõîä
òîïëèâà
âîçðàñòàåò
â 1.5 - 2 ðàçà, à åãî
óäåëüíàÿ
ýíåðãèÿ
ñíèæàåòñÿ â
1.5 - 2 ðàçà ïî
ñðàâíåíèþ ñ
ñîîòâåòñòâóþùèìè
òåîðåòè÷åñêèìè
ïîêàçàòåëÿìè,
ïðèâåäåííûìè
â òàáëèöå.
(íàïðèìåð,
èç
ãðàôèòîâîé
êåðàìèêè ñ
ïëàòèíîâûì
êàòàëèçàòîðîì).
Ýëåêòðîäû 1 è 2
îòäåëåíû
ñëîåì
ýëåêòðîëèòà
- ðàñòâîðà
ùåëî÷è KOH, êîòîðûé
íå
ïðîïóñêàåò
íåéòðàëüíûå
ìîëåêóëû èëè
àòîìû ãàçîâ
âîäîðîäà è
êèñëîðîäà.
Èîíèçèðîâàííûå
ãàçû, íàïðèìåð,
èîíû H+,
ìîãóò
äðåéôîâàòü
ñêâîçü
ýëåêòðîëèò.
Êîðïóñ ÒÝ
âûïîëíÿåòñÿ
èç
òèòàíîâîãî
ñïëàâà 4, õèìè÷åñêè
íå
âçàèìîäåéñòâóþùåãî
ñ KOH. Âíåøíÿÿ
öåïü ÒÝ
çàìêíóòà
ñîïðîòèâëåíèåì
Rí
íàãðóçêè,
êîòîðîå
ïîäêëþ÷åíî ê
ìåòàëëè÷åñêèì
íàïëàâêàì
íà
ýëåêòðîäàõ.
Ãàçîîáðàçíûå
êîìïîíåíòû
õèìè÷åñêîãî
òîïëèâà -
îòäàþùèé
ñâîè
ýëåêòðîíû âîññòàíîâèòåëü
H2 è
ïðèñîåäèíÿþùèé
ýëåêòðîíû
îêèñëèòåëü O2
- - íåïðåðûâíî
ïîäâîäÿòñÿ
ïîä
èçáûòî÷íûì
äàâëåíèåì ê
ïîðàì àíîäà
è êàòîäà (ðèñ.
1à) èç
ðåçåðâóàðîâ
ñ çàïàñîì
ðåàãåíòîâ.
1. Íà
ïîâåðõíîñòÿõ
àíîäà,
ñìî÷åííûõ
ð-ðîì KOH, â
ýëåêòðîëèòå
ðàñòâîðÿåòñÿ
ãàçîîáðàçíûé
âîäîðîä è
àáñîðáèðóåòñÿ
íà ñòåíêàõ
ïîð
ýëåêòðîäà. Â
ðàñòâîðå
ãèäðîêñèä êàëèÿ
íàõîäèòñÿ â
äèññîöèèðîâàííîì
ñîñòîÿíèè:
Âîäîðîä â
ïðèñóòñòâèè
èîíîâ OH- îí
ëåãêî
îòäàåò
ýëåêòðîíû
(îêèñëÿåòñÿ),
îáðàçóÿ
âîäó:
à)
á)
Ðèñ .
1. Ñõåìû
âîäîðîäíî-êèñëîðîäíûõ
òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ:
à - ñ
æèäêèì
ýëåêòðîëèòîì
(ðàñòâîðîì
ÊÎÍ); á - ñ
èîíîîáìåííîé
ìåìáðàíîé
2.
Íà
ïîâåðõíîñòè
êàòîäà
àíàëîãè÷íûå
ÿâëåíèÿ
ïðèâîäÿò ê
ðåàêöèè
âîññòàíîâëåíèÿ
êèñëîðîäà,
êîòîðûé â
ïðèñóòñòâèè
âîäû îòáèðàåò
ó ýòîãî
ýëåêòðîäà
îáðàçîâàâøèåñÿ
ñâîáîäíûå
ýëåêòðîíû:
Â
èòîãå ýòèõ
ïåðâîé è
âòîðîé
ñòàäèé
"õîëîäíîãî
ãîðåíèÿ" íà
àíîäå
îáðàçóåòñÿ
èçáûòîê ýëåêòðîíîâ,
à â
ïðèìûêàþùåì
ðàñòâîðå -
íåäîñòàòîê
èîíîâ
ãèäðîêñèëà OH-.
Íà êàòîäå æå
èìååòñÿ
íåäîñòàòîê
ýëåêòðîíîâ,
à â
îêðóæàþùåì
åãî
ýëåêòðîëèòå -
èçáûòîê
èîíîâ H+.
Âñëåäñòâèå
ýòîãî
ïðîòåêàþò
ñëåäóþùèå äâå
ñòàäèè
ðåàêöèè.
3. Ïî
âíåøíåìó
ó÷àñòêó
öåïè îò àíîäà
ê êàòîäó
÷åðåç
ñîïðîòèâëåíèå
Rí ïðîõîäÿò
ýëåêòðîíû 4e-,
ñîâåðøàÿ
ïîëåçíóþ
ýëåêòðè÷åñêóþ
ðàáîòó
(íàïðàâëåíèå
òîêà I
ïðîòèâîïîëîæíî
ïåðåìåùåíèþ
ýëåêòðîíîâ).
4. Â
ýëåêòðîëèòå
ïðîèñõîäèò
äèôôóçèÿ
èîíîâ 4OH- ñ êàòîäà íà
àíîä è
ïîñðåäñòâîì
èîííîãî
òîêà
çàìûêàåòñÿ
ýëåêòðè÷åñêàÿ
öåïü (ñîãëàñíî
óðàâíåíèþ
íåïðåðûâíîñòè
ïîëíîãî
òîêà div J = 0).
Åñëè
ñëîæèòü
ðåàêöèè äëÿ
ïåðâîé è âòîðîé
ñòàäèè,
ïîëó÷èòñÿ
ðåçóëüòèðóþùåå
óðàâíåíèå
ðåàêöèè ,
êîíå÷íûì
ïðîäóêòîì
êîòîðîé
ÿâëÿåòñÿ âîäà.
Èçáûòî÷íîå
êîëè÷åñòâî
ïàðîâ âîäû 2H2O
óäàëÿþò èç
ÒÝ, íàïðèìåð,
ñ ïîìîùüþ
ïðîäóâêè ñ
ïîñëåäóþùåé
ñåïàðàöèåé
èëè âûïàðèâàíèåì.
Î÷èùåííàÿ
îò ïàðîâ
ýëåêòðîëèòà,
âîäà ìîæåò
íàïðàâëÿòüñÿ
äëÿ
äàëüíåéøåé
óòèëèçàöèè
(ðèñ. 1à).
Ñáàëàíñèðîâàííûé õîä ðåàêöèé
íà
óêàçàííûõ
ñòàäèÿõ ó
ïîâåðõíîñòåé
ýëåêòðîäîâ
îïðåäåëÿåòñÿ
ðàâíîâåñèåì
äàâëåíèé
ãàçîâîé è
æèäêîñòíîé
ôàç:
pr = pý + pê
;
çäåñü
pr -
âíåøíåå
äàâëåíèå
ãàçîîáðàçíûõ
ðåàãåíòîâ (
âîäîðîäà èëè
êèñëîðîäà ); pý
-
ãèäðîñòàòè÷åñêîå
äàâëåíèå
ýëåêòðîëèòà; pê =(s
cosq)/d -
åãî
êàïèëëÿðíîå
äàâëåíèå â
ïîðàõ
ýëåêòðîäîâ; s
-
ïîâåðõíîñòíîå
íàòÿæåíèå (H/ì); q - óãîë
ñìà÷èâàåìîñòè;
d - äèàìåòð
ïîðû.
Â
èçãîòîâëÿåìûõ
äâóõñëîéíûìè
ýëåêòðîäàõ ÝÕÃ
ïîðû
âûïîëíÿþòñÿ
ñ
ðàçëè÷íûìè
çíà÷åíèÿìè d.Ñëîé,
êîòîðûé
îáðàùåí ê
ãàçîâîé
ñðåäå(Í2 èëè
Î2) è
ñîäåðæèò
èçìåëü÷åííûé
êàòàëèçàòîð
( íàïðèìåð, Pt),
èìååò
òîëùèíó d»0.5
¸ 0.6 ììè
ïîðû ñ d»30 ¸ 50
ìêì. Â
îáðàùåííîì
ê KOH ñëîå ñ ìì ïîðû èìåþò
d ìêì.
Äàâëåíèå pç
ìåíüøå íà
÷åì
äàâëåíèå êîòîðîå
ïðåïÿòñòâóåò
âûòåêàíèþ ýëåêòðîëèòà.
Íåéòðàëüíûå
ìîëåêóëû èëè
àòîìû
ãàçîîáðàçíûõ
êîìïîíåíòîâ
ïðè ýòîì çíà÷åíèè
pr òàêæå íå
ìîãóò
ïðîíèêíóòü â
ýëåêòðîëèò, ïðåîäîëåâ
êàïèëÿðíûå
ñèëû. Íà
ïîâåðõíîñòè
ýëåêòðîäîâ
îáåñïå÷èâàåòñÿ
ðàâíîâåñèå
ôàç, ïîýòîìó
÷åðåç KOH âîçìîæíî
òîëüêî
èîíîâ,
îáðàçîâàâøèõñÿ
â ðåçóëüòàòå
ðåàêöèé.
Íàðÿäó
ñ KOH â ÒÝ
âîçìîæíî
èñïîëüçîâàíèå
êèñëîòíîãî
ýëåêòðîëèòà
- ðàñòâîðà H2SO4.
Òðåáóþùååñÿ
èñïàðåíèå
âîäû èç ýëåìåíòîâ
ñ
æèäêîñòíûì
ýëåêòðîëèòîì,
ðàáîòàþùèõ
ïðè äàâëåíèè
5×105 Ïà è
áîëåå,
îïðåäåëÿåò
ýêñïëóàòàöèþ
ÒÝ íà ñðåäíåòåìïåðàòóðíîì
( 373 - 523 Ê ) èëè
âûñîêîòåìïåðàòóðíîì
( áîëå 523 Ê )
óðîâíå, ÷òî
îáóñëîâëèâàåò
íåîáõîäèìîñòü
íàëè÷èÿ â
ñîñòàâå ÝÕÃ
ðÿäà
òåõíè÷åñêè
ñëîæíûõ
âñïîìîãàòåëüíûõ
óñòðîéñòâ.
Äëÿ
ïðåîäîëåíèÿ
òàêèõ
çàòðóäíåíèé
ïðèìåíèòåëüíî
ê ÀÝÓ
ðàçðàáîòàíû
âîäîðîä - êèñëîðîäíûå
ÒÝ ñ
èîíîîáìåííûìè
ìåìáðàíàìè (ÈÎÌ)
â âèäå
êâàçèòâåðäûõ
âåùåñòâ
(ãåëåé), ðàçäåëÿþùèõ
ðàçíîïîëÿðíûå
ýëåêòðîäû â
ÒÝ. Èçãîòîâëÿþò
ÈÎÌ èç
ôòîðîóãëåðîäèñòîãî
àíàëîãà
òåôëîíà. Íà
ïîëèìåðíîé
ñåòêå - ìàòðèöå
çàêðåïëåíû
èîíû, îíè
ìîãóò
îáìåíèâàòüñÿ
íà äðóãèå
èîíû,
ïðèñóòñòâóþùèå
â ìåæýëåêòðîííîé
ñðåäå. Íà
ïðàêòèêå äëÿ
ÒÝ ïðèìåíÿþò
ÈÎÌ ñ
ñóëüôàòíûìè
êàòèîíàìè,
íàïðèìåð,
Ïî ñâîèì
ôóíêöèÿì
ÈÎÌ ïîäîáíà
ýëåêòðîëèòó,
îíà
ñïîñîáíà
ïðîòèâîñòîÿòü
âîçäåéìòâèþ
íåéòðàëüíûõ
ìîëåêóë è
àòîìîâ H2 è O2.
Ñõåìà ÒÝ ñ
ÈÎÌ
ïðèâåäåíà íà
ðèñ. 1á. Ïîðèñòûå
êåðàìè÷åñêèå
ýëåêòðîäû 1 è 2
ïðèæàòû ê ìåìáðàíå
3.
Êîíòàêòèðóþùèå
ñ ÈÎÌ
ïîâåðõíîñòè
àíîäà è
êàòîäà
ïîêðûòû
êàòàëèòè÷åñêèìè
ñëîÿìè
ìåòàëëà.
Ïðèíöèï
ðàáîòû ÒÝ ñ ÈÎÌ
ñîñòîèò â
ñëåäóþùåì.
Íà
àíîäå
ïîäâîäèìûé
ãàçîîáðàçíûé
âîäîðîä
èîíèçèðóåòñÿ
ïî ðåàêöèè:
.
Èîíû
âîäîðîäà ïîä
âëèÿíèåì
ãðàäèåíòà
èõ êîíöåíòðàöèè
è
ñîîòâåòñòâóþùåãî
ýëåêòðè÷åñêîãî
ïîëÿ
ïåðåìåùàþòñÿ
ñêâîçü ÈÎÌ ê
êàòîäó, íà
êîòîðîì
ïðîòåêàåò
ðåàêöèÿ:
Ýëåêòðîíû 4e-
÷åðåç Rí
ïîñòóïàþò ê
êàòîäó.
Ïîëó÷åííàÿ
âîäà (H2O)n
ïîä
äåéñòâèåì
ãðàäèåíòà
åå
êîíöåíòðàöèè
âîçâðàùàåòñÿ
ê àíîäó. Äâå
ìîëåêóëû
âîäû (2H2O),
îáðàçóþùèåñÿ
â
ýëåìåíòàðíîì
àêòå ðåàêöèè,
íåîáõîäèìî
îòâîäèòü èç
çîíû
ðåàêöèè, íàïðèìåð,
äðåíàæíûì
óñòðîéñòâîì.
Ïðè ðàáîòå
ÒÝ ãåëü â ÈÎÌ
íàáóõàåò è
íàõîäèòñÿ,
êàê
óêàçûâàëîñü,
â
êâàçèòâåðäîì
ñîñòîÿíèè.
Êðîìå
ÈÎÌ â ÒÝ
ïðèìåíÿþòñÿ
òàêæå êàïèëÿðíûå
ìåìáðàíû
òèïà
âîëîêíèñòûõ
ìàòåðèàëîâ,
ïðîïèòàííûõ
ùåëî÷íûì
ýëåêòðîëèòîì
(íàïðèìåð,
àñáåñò).
Ïðèíöèï
äåéñòâèÿ ÒÝ
ñ
êàïèëÿðíûìè
ìåìáðàíàìè
òàêîé æå, êàê
ÒÝ ñ
æèäêîñòíûì
ýëåêòðîëèòîì.
Â
îòäåëüíûõ
óñòàíîâêàõ
âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå
ÝÕÃ ñ ÒÝ,
ðàáîòàþùèìè
íà äðóãèõ
êîìïîíåíòàõ
òîïëèâà,
êðîìå H2 - O2.
Èòîãîâàÿ
ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ
ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ
âîññòàíîâèòåëÿ
Red è
âîññòàíîâèòåëÿ
Ox èìååò â
îáùåì
ñëó÷àå âèä
 ÒÝ
èìååò ìåñòî
âñòðå÷íîå
äâèæåíèå
ðàçíîïîëÿðíûõ
èîíîâ
âíóòðè
ýëåêòðîëèòà
è ïåðåõîä
ýëåêòðîíîâ
îò àíîäà ê
êàòîäó ïî
ñîïðîòèâëåíèþ
Rí,
çàìûêàþùåìó
âíåøíþþ öåïü.
Ïðè ýòîì
îñóùåñòâëÿåòñÿ
ïðÿìîå
ïðåîáðàçîâàíèå
ýíåðãèè
õèìè÷åñêèõ
ñâÿçåé Red è Ox â
ýëåêòðè÷åñêóþ
ýíåðãèþ.
Êîíêðåòèçàöèþ
îáùåé ôîðìû
çàïèñè
òîêîîáðàçóþùèõ
ðåàêöèé
ðàññìîòðèì ïðèìåðå
îêèñëåíèÿ
ãèäðàçèíà N2H4.
Ðåàêöèÿ
îêèñëåíèÿ
ãèäðàçèíà
èìååò ìåñòî
â ÝÕÃ ìàëîé
ìîùíîñòè.
Àíîäíîå
îêèñëåíèå
ãèäðàçèíà:
Êàòîäíîå
âîññòàíîâëåíèå
êèñëîðîäà:
Ñóììàðíîå
ñòåõèîìåòðè÷åñêîå
óðàâíåíèå
ðåàêöèè:
Ãðàôèê
çàâèñèìîñòè
U îò I
à) á)
Ðèñ. 2: Õàðàêòåðèñòèêè
âîäîðîäíî -
êèñëîðîäíîãî
ÝÕÃ:
à - îáùàÿ
ôîðìà
õàðàêòåðèñòèêèè
è çàâèñèìîñòü
ïîëåçíîé
ìîùíîñòè îò
òîêà;
á
- àíàëîãè
âíåøíåé
õàðàêòåðèñòèêè
- çàâèñèìîñòè
íàïðÿæåíèÿ îò
ïëîòíîñòè òîêà
äëÿ ÒÝ
ðàçëè÷íîãî
èñïîëíåíèÿ
(1-ñ ðàñòâîðîì
ýëåêòðîëèòà;
2-ñ
êàïèëÿðíîé
ìåìáðàíîé; 3-ñ
ÈÎÌ ïðè Ò=355 Ê; 4-ñ
ÈÎÌ ïðè Ò=313 Ê).
Âíåøíÿÿ
õàðàêòåðèñòèêà
U=f(I).
Îòêëîíåíèå
îò
ñîñòîÿíèÿ
ðàâíîâåñèÿ
ïðè ðàáîòå
ÒÝ
ïðàêòè÷åñêè
ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ
íàïðÿæåíèÿ è
ñíèæåíèþ
ÊÏÄ ïî ñðàâíåíèþ
ñ èõ
òåðìîäèíàìè÷åñêèìè
çíà÷åíèÿìè
âñëåäñòâèå
èçìåíåíèÿ
ïîòåíöèàëà
êàòîäà è
àíîäà ïðè
ïðîõîæäåíèè
òîêà â öåïè ÒÝ.
Ñîâîêóïíîñòü
ýòèõ
ÿâëåíèé
íàçûâàþò ïîëÿðèçàöèåé.
Ïðè
ñîâåðøåíèè
ðàáîòû âûõîäà
(àêòèâàöèè)
èç ìåòàëëà
ýëåêòðîäà â
ðàñòâîð
ýëåêòðîëèòà
ýëåêòðîí
ïðåîäîëåâàåò
ïîòåíöèàëüíûé
áàðüåð,
îáðàçîâàííûé
äâîéíûì
ñëîåì
ðàçíîèìåííûõ
çàðÿäîâ. Íà
ãðàíèöå
"ýëåêòðîä -
ýëåêòðîëèò"
íàáëþäàåòñÿ
ðàçëè÷èå
êîíöåíòðàöèé
èîíèçèðîâàííûõ
ðåàãåíòîâ.
Ýëåêòðîëèò è
ýëåêòðîäû
èìåþò ñîáñòâåííîå
âíóòðåííåå
ñîïðîòèâëåíèå.
Óïðîùåííî,
ñîâìåñòíîå
âëèÿíèå
ïåðå÷èñëåííûõ
ýôôåêòîâ
ìîæíî
ó÷åñòü ñ
ïîìîùüþ ïàäåíèÿ
íàïðÿæåíèÿ
íà
íåëèíåéíîì
âíóòðåííåì ñîïðîòèâëåíèè
ÒÝ Râí. Ïðè
ýòîì
óðàâíåíèå
âíåøíåé
õàðàêòåðèñòèêè
ïðèáëèæåííî
çàïèñûâàåòñÿ
â âèäå
U = Eí -
IRâí.
ãäå
Eí - ÝÄÑ ïðè
íàãðóçêå,
ó÷èòûâàþùàÿ
àêòèâàöèîííóþ
è
êîíöåíòðàöèîííóþ
ïîëÿðèçàöèþ;
ñîïðîòèâëåíèå
ýëåêòðîëèòà
Rýë
ïðàêòè÷åñêè
ðàâíî Râí è
ó÷èòûâàåò
"îìè÷åñêóþ"
ïîëÿðèçàöèþ.
Îáùàÿ
ôîðìà
âíåøíåé
õàðàêòåðèñòèêè
ÝÕÃ
ïîêàçàíà íà
ðèñ. 2à.
Áîëüøàÿ
êðóòèçíà | dU / dI |
ïðè ìàëûõ è
ïîâûøåííûõ
çíà÷åíèÿõ òîêà
îáóñëîâëåíà
ñîîòâåòñòâåííî
ïîëÿðèçàöèåé
àêòèâàöèè
ýëåêòðîäîâ
(ó÷àñòîê 1) è ïðèãðàíè÷íîé
ïîëÿðèçàöèåé
êîíöåíòðàöèè
(ó÷àñòîê 3).
Ëèíåéíûé
ó÷àñòîê 2 ñ
îòíîñèòåëüíî
ìàëîé
êðóòèçíîé | dU / dI |
îòðàæàåò
âëèÿíèå â
îñíîâíîì
"îìè÷åñêîé"
ïîëÿðèçàöèè.
Íà ðèñ. 2á.
ïðèâåäåíû
àíàëîãè
âíåøíèõ
õàðàêòåðèñòèê
U = U(J) äëÿ
êîíêðåòíûõ
Ðèñ. 3:
Ñõåìû
ÝÕÃ:
à
-
ïîñëåäîâàòåëüíî-ïàðàëëåëüíîå
ñîåäèíåíèå
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ;
á -
óïðîùåííàÿ
ýëåêòðè÷åñêàÿ
ñõåìà çàìåùåíèÿ.
ÒÝ.
Ãåîìåòðè÷åñêàÿ
ïëîòíîñòü
òîêà J (íà åäèíèöó
êàæóùåéñÿ
ïîâåðõíîñòè
ýëåêòðîäà) ìîæåò
ïðè
êðàòêîâðåìåííûõ
ðåæèìàõ
äîñòèãàòü 0.1 - 0.2
À/ñì2.
Ýëåêòðè÷åñêàÿ
ñõåìà ÝÕÃ,
ïîñòðîåííàÿ
ïî
ìàòðè÷íîìó
ïðèíöèïó,
äàíà íà ðèñ. 3à;
(Iý,
Uý - òîê è
íàïðÿæåíèå
ÒÝ).
Óïðîùåííàÿ
ñõåìà çàìåùåíèÿ
ÒÝ
ïðåäñòàâëåííà
íà ðèñ.
3á. ñëè ïðè T = const
ðàññìàòðèâàòü
ÒÝ êàê
ëèíåéíûé ýëåìåíò
ñ
ïîñòîÿííûìè
ýêâèâàëåíòíûìè
ïàðàìåòðàìè
ãäå
Rí, Lí -
ñîïðîòèâëåíèå
è
èíäóêòèâíîñòü
íàãðóçêè; Lý,ò
-
èíäóêòèâíîñòü
ýëåêòðîäîâè
òîêîîòâîäîâ,
òî ïðîöåññ
ðàçðÿäà ÒÝ îïèñûâàåòñÿ
óðàâíåíèåì:
Çäåñü
óñòàíîâèâøèéñÿ
òîê
íàãðóçêè;
ýêâèâàëåíòíàÿ
ïîñòîÿííàÿ
âðåìåíè.
Ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèå
óñòàíîâêè
íà áàçå
ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ
ãåíåðàòîðîâ.
ÝÕÃ â
öåëîì êðîìå
áàòàðåè ÒÝ è
âñïîìîãàòåëüíîãî
îáîðóäîâàíèÿ
âêëþ÷àåò ðÿä áëîêîâ,
ñíàáæåííûõ
âçàèìíûìè
ïðÿìûìè è îáðàòíûìè
ñâÿçÿìè äëÿ
îáåñïå÷åíèÿ
ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
â çàäàííîì
ðåæèìå.
Ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü
ÝÕÃ êàê
òåõíè÷åñêóþ
ñèñòåìó,
ñîñòîÿùóþ
èç
ñîîòâåòñòâóþùèõ
ïîäñèñòåì.
Óêðóïíåííàÿ
ñõåìà ÝÕÃ (ðèñ.
4.) â êà÷åñòâå
ãëàâíîé
ïîäñèñòåìû
ñîäåðæèò
áàòàðåþ
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ
ÁÒÝ, à òàêæå
ïîäñèñòåìû:
õðàíåíèÿ
ãîðþ÷åãî ÏÕà è
îêèñëèòåëÿ
ÏÕÎ;
îáðàáîòêè
ãîðþ÷åãî ÏÎÃ
è
îêèñëèòåëÿ
ÏÎÎ; ïîäà÷è
ãîðþ÷åãî ÏÏÃ
è
îêèñëèòåëÿ
ÏÏÎ. Íàðÿäó ñ
íèìè
èìåþòñÿ ïîäñèñòåìû
îòâîäîâ
ïðîäóêòîâ
ðåàêöèè ÏÎÏÐ,
òåïëîîòâîäà
ÏÒÎ è
ïîäñèñòåìà
êîíòðîëÿ è àâòîìàòèêè
ÏÊÀ, êîòîðàÿ
ñîåäèíåíà
äâóñòîðîííèìè
ñâÿçÿìè ñ
ïîäñèñòåìàìè
ïîäà÷è è
îòâîäà. Ê
ïîäñèñòåìå
ïîòðåáëåíèÿ
è
ðåãóëèðîâàíèÿ
ýëåêòðîýíåðãèè
ÏÏÐÝ ïîäêëþ÷åíà
ÁÒÝ.
Ïðèìåíèòåëüíî
ê âîäîðîä -
êèñëîðîäíîìó
ÝÕÃ â ÏÕÃ, ÏÕÎ
îñóùåñòâëÿåòñÿ
êðèîãåííîå
õðàíåíèå
ñæèæåííûõ
êîìïîíåíòîâ
òîïëèâà, â
ÏÎÃ, ÏÎÎ
ïðîèçâîäèòñÿ
íàãðåâ H2 è O2
, êîòîðûå â
ãàçîîáðàçíîì
ñîñòîÿíèè
ïîäâîäÿòñÿ ê
ÏÏÃ, ÏÏÎ. Ýòè
ïîäñèñòåìû
ïðîèçâîäÿò äîçèðîâàííóþ
ïîäà÷ó
ðåàãåíòîâ
ïðè çàäàííûõ
ïàðàìåòðàõ
(äàâëåíèè,
òåìïåðàòóðå)
â ÁÒÝ, ãäå
ïðîèñõîäèò
ðåàêöèÿ
ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî
îêèñëåíèÿ.
Óäàëåíèå
ïàðîâ âîäû â ÝÕÃ
âûïîëíÿåò
ÏÎÏÐ. Äëÿ ÝÕÃ,
ïðèìåíÿåìûõ
íà ÊËÀ, âàæíîå
çíà÷åíèå
èìååò ÏÒÎ,
ñîäåðæàùàÿ
õîëîäèëüíèê -
èçëó÷àòåëü,
ê êîòîðîìó
òåïëî äîñòàâëÿåòñÿ
ñ ïîìîùüþ
öèðêóëÿöèîííûõ
óñòðîéñòâ ñ
æèäêîñòíûì
òåïëîíîñèòåëåì.
Äëÿ ÊËÀ
ìíîãîðàçîâîãî
èñïîëüçîâàíèÿ
"Ñïåéñ
Øàòòë"
ôèðìà
"Äæåíåðàë
Ýëåêòðèê"
(ÑØÀ)
âûïîëíèëà
ÝÕÃ ñ âîäîðîä
- êèñëîðîäíûìè
ÒÝ,
èìåþùèìè
ïîçîëî÷åííûå
ýëåêòðîäû ñ
ïëàòèíîâûìè
êàòàëèçàòîðàìè.
Ýëåêòðîäû
ðàçäåëåíû
ÈÎÌ, âî
èçáåæàíèå
âûñóøèâàíèÿ
êîòîðûõ
îðãàíèçîâàí
îòâîä òåïëà
îò àíîäà, ÷òî
ñîçäàåò
äâèæóùèé
ãðàäèåíò
êîíöåíòðàöèè
äëÿ
âîçâðàùåíèÿ
H2O ê àíîäó. Îòâîä
âîäû -
ïðîäóêòà
ðåàêöèè -
ðåàëèçîâàí
ñ ïîìîùüþ
àâòîìàòè÷åñêè
äåéñòâóþùåé
ñõåìû ñ
ìèêðîïîðèñòûì
ñåïàðàòîðîì
è âîëîêíèñòûìè
ôèòèëÿìè,
âûñòóïàþùèìè
èç ñáîðêè ÒÝ.
Íà ðèñ. 5. äàíà
óïðîùåííàÿ
ôóíêöèîíàëüíàÿ
ñõåìà
ïîäîáíîãî
ÝÕÃ, â
ñîñòàâå
êîòîðîãî
íàõîäèòñÿ
áàòàðåÿ
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ
ÁÒÝ èç 76 ÒÝ ñ
ÈÎÌ.
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)
Äâå
ñåêöèè ÁÒÝ,
èìåþùèå ïî 38
ÒÝ,
ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî
è
ãåíåðèðóþò
ýëåêòðè÷åñêóþ
ìîùíîñòü 5
êÂò. Áàòàðåÿ
ðàçìåùåíà â
öèëèíäðè÷åñêîì
êîíòåéíåðå
äèàìåòðîì 0,33 ì
è ãàáàðèòíîé
äëèíîé 0,94 ì.
Óäåëüíàÿ
ìàññà ÁÒÝ
áåç çàïðàâêè
ðàâíà 11 êã/êÂò.
Ýêñïåðèìåíòû
ïîêàçàëè,
÷òî ñáîðêà ÒÝ
ñïîñîáíà
ðàáîòàòü
áîëåå 5000 ÷ áåç
äåãðàäàöèè
ÈÎÌ ïðè
òåìïåðàòóðå
äî 455 Ê.
Íà ÊËÀ
ìíîãîðàçîâîãî
èñïîëüçîâàíèÿ
"Áóðàí"
óñòàíîâëåíû
÷åòûðå ÝÕÃ
ìîùíîñòüþ
ïî 10 êÂò (
ñóììàðíàÿ
ìîùíîñòü 40
êÂò ) ñåðèè
"Ôîòîí" íà
âîäîðîä -
êèñëîðîäíîì
òîïëèâå H2 - Î2.
Íàïðÿæåíèå
îäíîãî
ãåíåðàòîðà,
ñîñòîÿùåãî
èç 128
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ,
ñîñòàâëÿåò 29,2 Â
( ñõåìà
ãåíåðàòîðà
ñîäåðæèò÷åòûðå
ïàðàëëåëüíûå
âåòâè, â
êàæäîé èç
êîòîðûõ
âêëþ÷åíî
ïîñëåäîâàòåëüíî
ïî 32 ýëåìåíòà).
Ìàññà ÝÕÃ
ñîñòàâëÿåò 145
êã, ìàññà
åãî áëîêà
àâòîìàòèêè -
15 êã ( óäåëüíàÿ
ìàññà 14,5
êã/êÂò, à ñ
ó÷åòîì
áëîêà
àâòîìàòèêè -
16 êã/êÂò ).
Ðåñóðñ ÝÕÃ ðàâåí
2000 ÷, åãî ÊÏÄ 62%
Äëÿ
äëèòåëüíîé
ýêñïëóàòàöèè
â ÀÝÓ ïåðñïåêòèâíû
óñòàíîâêè, â
êîòîðûõ ÝÕÃ
ðàáîòàåò
ñîâìåñòíî ñ
ðåãåíåðàòîðîì
êîìïîíåíòîâ
òîïëèâà,
ðàçëàãàþùèì âîäó íà
âîäîðîä è
êèñëîðîä.
Ýëåêòðîëèç
âîäû òðåáóåò
ïîäâåäåíèÿ
èçâíå
ýíåðãèè äëÿ
ðàçðûâà
âàëåíòíîé
õèìè÷åñêîé
ñâÿçè
Í
- Î - Í. Ïðè
ìîùíîñòÿõ
ìåíåå 1 êÂò
öåëåñîîáðàçíî
èíòåãðàëüíîå
èñïîëíåíèå
ÝÕÃ è ýëåêòðîëèçåðà
âîäû (ÝÂ). Ïðè
áîëåå
âûñîêèõ
ýëåêòðè÷åñêèõ
ìîùíîñòÿõ
ÝÕÃ è
ýëåêòðîëèçåð
âîäû â
ðàçäåëüíîì
èñïîëíåíèè
èìåþò ëó÷øèå
òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå
ïîêàçàòåëè,
÷åì ó
èíòåãðàëüíîãî
óñòðîéñòâà.
 çàâèñèìîñòè
îò âèäà
ïîäâîäèìîé ê
ðåãåíåðàòîðó
Ð ýíåðãèè
ïðèíöèïèàëüíî
âîçìîæíû
ðàçëè÷íûå
ñïîñîáû
ðàçëîæåíèÿ
âîäû.
Âûñîêèì ÊÏÄ
îòëè÷àåòñÿ
ýëåêòðîëèç
ïðè
ïðîïóñêàíèè
÷åðåç Í2Î
ýëåêòðè÷åñêîãî
òîêà:
îòíîøåíèå
òåïëîòû
ñãîðàíèÿ
ïîëó÷åííîãî
òîïëèâà ê
ýíåðãîçàòðàòàì
íà
âûäåëåíèå Í2
è Î2
äîñòèãàåò 70 - 80%.
Â
îñîáåííîñòè
ýëåêòðîëèç ýôôåêòèâåí
äëÿ ÀÝÓ íà
ÊËÀ ïðè
èñïîëüçîâàíèè
Ñîëíöà â
êà÷åñòâå
èñòî÷íèêà
ïåðâè÷íîé
ýíåðãèè ñ
ïîñëåäóþùèì
åå
ïðåîáðàçîâàíèåì
â ÔÝÏ.
Ðàçëîæåíèå
âîäû íà Í2 è Î2
ìîæíî
ðåàëèçîâàòü
íåïîñðåäñòâåííî
â ÒÝ ïðè
ïðîïóñêàíèè
òîêà â
îáðàòíîì
íàïðàâëåíèè
ïî
îòíîøåíèþ ê
òîêó
ãåíåðàòîðíîãî
ðåæèìà,
èñïîëüçóÿ
ïðèíöèï
îáðàòèìîñòè
ÒÝ, êîòîðûé
âûïîëíÿåò
ðîëü
ýëåêòðîëèçíîé
ÿ÷åéêè. Ïðè
òàêîì
ñïîñîáå
ðåãåíåðàöèè
êîìïîíåíòîâ
òîïëèâà
ðåñóðñ
ðåãåíåðàòèâíîãî
ÒÝ
îãðàíè÷åí
îáúåìîì
ðåçåðâóàðîâ
äëÿ õðàíåíèÿ
Í2 è Î2.
Èçâåñòíû
ðåãåíåðàòèâíûå
ÒÝ, â êîòîðûõ
ïîëó÷åííûå
ãàçû Í2 è Î2
õðàíÿòñÿ â
ïîðèñòûõ
èëè
ãóá÷àòûõ
óñòðîéñòâàõ
âíóòðè ÒÝ.
Äàííûé òèï
ÒÝ ïî ïðèíöèïó
äåñòâèÿ
ôîðìàëüíî
àíàëîãè÷åãí
õèìè÷åñêîé
ÀÁ, ïðè÷åì
ýëåêòðè÷åñêàÿ
åìêîñòü
ðåãåíåðàòèâíîãî
ÒÝ
îïðåäåëÿåòñÿ
êîëè÷åñòâîì
àäñîðáèðîâàííûõ
ãàçîâ. Êàê è
ÒÝ, âîçìîæíî
âûïîëíåíèå
ýëåêòðîëèçíîé
ÿ÷åéêè ñ
ýëåêòðîëèòîì,
ÈÎÌ èëè
êàïèëëÿðíîé
ìåìáðàíîé.
Ïðèêëàäûâàåìîå
ê
ýëåêòðîëèçíîé
ÿ÷åéêå ïðè
ýëåêòðîëèçå
íàïðÿæåíèå
íà 30 - 80% äîëæíî
ïðåâîñõîäèòü
íàïðÿæåíèå,
ãåíåðèðóåìîå
ÒÝ,
ïîñêîëüêó
ïîëÿðèçàöèîííûå
ýôôåêòû â
ýëåêòðîëèçíîé
ÿ÷åéêå
ïðîÿâëÿþòñÿ
ñèëüíåå, ÷åì
â ÒÝ.
Ðåãåíåðàòèâíàÿ
ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêàÿ
óñòàíîâêà
(ÐÝÓ)
êîñìè÷åñêîé
äîëãîâðåìåííîé
òåõíîëîãè÷åñêîé
áàçû
âêëþ÷àåò
âîñåìü
èäåíòè÷íûõ ìîäóëåé
äàííîãî
òèïà, ñðåäíÿÿ
ýíåðãåòè÷åñêàÿ
ìîùíîñòü
êàæäîãî èç
êîòîðûõ
ñîñòàâëÿåò 12,5
êÂò. Ãàçîâûå
áàëëîíû
ðàññ÷èòàíû íà
çàïàñ
ðåàãåíòîâ 9-11
êã, ðàáî÷åå
äàâëåíèå â
áàëëîíàõ
ïîääåðæèâàåòñÿ
â äèàïàçîíå (6.9
¸ 27.6) 105 Ïà.
Çà îäèí öèêë
ðàçðÿäíîãî
ðåæèìà
ðàñõîäóåòñÿ
3.03 êã
ðåàãåíòîâ
(óñëîâíàÿ
ñòåïåíü ðàçðÿäêè
33%). Ðåãóëÿòîð
ïîñòîÿííîãî
òîêà, êîìïåíñèðóþùèé
ïàäåíèå
íàïðÿæåíèÿ
íà âûõîäå
ÝÕÃ,
ïîçâîëÿåò
âäâîå
ïîâûñèòü
ðåñóðñ ÒÝ, êîòîðûé
ìîæåò
äîõîäèòü äî 10
ëåò.
Ñïèñîê
ñîêðàùåíèé:
ÝÕÏ
- ýëåêòðîõèìè÷åñêèé
ïðåîáðàçîâàòåëü;
ÝÕÃ
- ýëåêòðîõèìè÷åñêèé
ãåíåðàòîð;
ÒÝ - òîïëèâíûé
ýëåìåíò;
ÊËÀ
- êîñìè÷åñêèé
ëåòàòåëüíûé
àïïàðàò;
ÀÁ - àêêóìóëÿòîðíàÿ
áàòàðåÿ;
ÀÝÓ
- àâòîíîìíàÿ
ýíåðãåòè÷åñêàÿ
óñòàíîâêà;
ÔÝÏ
- ôîòîýëåêòðè÷åñêèå
ïðåîáðàçîâàòåëè;
ÈÎÌ
- èîíîîáìåííàÿ
ìåìáðàíà;
ÁÒÝ - áàòàðåÿ
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ;
ÏÕÃ
- ïîäñèñòåìà
õðàíåíèÿ
ãîðþ÷åãî;
ÏÕÎ
- ==||== ==||==
îêèñëèòåëÿ;
ÏÎÃ
- ==||==
îáðàáîòêè Ã.;
ÏÎÎ
- ==||== ==||== O.;
ÏÏÃ - ==||==
ïîäà÷è Ã.;
ÏÏÎ
- ==||== ==||==
Î.;
ÏÎÏÐ
- ==||== îòâîäà
ïðîäóêòîâ
ðåàêöèè;
ÏÒÎ
- ==||==
òåïëîîòâîäà;
ÏÊÀ
- ==||==
êîíòðîëÿ è
àâòîìàòèêè;
ÏÏÐÝ
- ==||==
ïîòðåáëåíèÿ
è
ðåãóëèðîâàíèÿ
ýëåêòðîýíåðãèè;
ÐÝÓ
- ðåãåíåðàòèâíàÿ
ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêàÿ
óñòàíîâêà.
Литература: Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины.
М.:Энергоатомиздат, 1993.
Ñïèñîê
îñíîâíûõ
ñîêðàùåíèé:
ÀÁ - àêêóìóëÿòîðíàÿ
áàòàðåÿ;
ÀÝÓ - àâòîíîìíàÿ
ýíåðãåòè÷åñêàÿ
óñòàíîâêà;
ÁÒÝ - áàòàðåÿ
òîïëèâíûõ
ýëåìåíòîâ;
ÈÎÌ - èîíîîáìåííàÿ
ìåìáðàíà;
ÏÊÀ -
ïîäñèñòåìà
êîíòðîëÿ è
àâòîìàòèêè;
ÊËÀ - êîñìè÷åñêèé
ëåòàòåëüíûé
àïïàðàò;
ÏÎÃ -
ïîäñèñòåìà
îáðàáîòêè ãîðþ÷åãî;
ÏÎÎ -
ïîäñèñòåìà
îáðàáîòêè
îêèñëèòåëÿ;
ÏÎÏÐ -
ïîäñèñòåìà
îòâîäà ïðîäóêòîâ
ðåàêöèè;
ÏÏÃ -
ïîäñèñòåìà
ïîäà÷è ãîðþ÷åãî;
ÊÏÄ - êîýôôèöåíò
ïîëåçíîãî
äåéñâèÿ;
ÏÏÎ -
ïîäñèñòåìà
ïîäà÷è
îêèñëèòåëÿ;
ÏÏÐÝ -
ïîäñèñòåìà
ïîòðåáëåíèÿ
è ðåãóëèðîâàíèÿ
ýëåêòðîýíåðãèè;
ÏÕÃ -
ïîäñèñòåìà
õðàíåíèÿ
ãîðþ÷åãî;
ÏÕÎ -
ïîäñèñòåìà
õðàíåíèÿ
îêèñëèòåëÿ;
ÏÒÎ -
ïîäñèñòåìà
òåïëîîòâîäà;
ÐÝÓ -
ðåãåíåðàòèâíàÿ
ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêàÿ
óñòàíîâêà;
ÒÝ -
òîïëèâíûé
ýëåìåíò;
ÔÝÏ -
ôîòîýëåêòðè÷åñêèå
ïðåîáðàçîâàòåëè;
ÝÕÏ -
ýëåêòðîõèìè÷åñêèé
ïðåîáðàçîâàòåëü;
ÝÕà - ýëåêòðîõèìè÷åñêèé
ãåíåðàòîð.
|
|
|
