Файл: Коровин, Н. В. Электрохимические генераторы.pdf

Так как гидриды имеют высокую дену, то они могут

Связанное хранение кислорода в виде его соединений не дает снижения массы на единицу энергии по сравне­ нию с криогенным хранением. Однако при связанном хранении кислорода можно .получить снижение объема по сравнению с хранением в баллонах. Существенное увеличение удельной энергии достигается при использо­ вании кислорода воздуха, в этом случае не нужна си­ стема хранения кислорода.

При расчете систем хранения до сих пор не учитыва­ лись потери водорода и кислорода. При наличии потерь растет эффективный электрохимический эквивалент /гэ.эфф и соответственно расход реагентов. Потери реаген­ тов могут быть обусловлены утечками в системе хране­ ния, неполным использованием их в ТЭ и другими при­ чинами.

18. Системы терморегулирования и отвода воды

При работе батарей водородно-кислородных ТЭ вы­ деляется тепло, скорость генерации которого можно рассчитать по (786). Подставив значения э. д. с. и тер­ модинамического к. л. д., получим скорость генерации тепла:

?б= ЛГб(1,48/Нр— 1).

Как видно, скорость генерации тепла растет с увели­ чением мощности батареи и уменьшается с увеличением реального напряжения ТЭ. При работе ЭХГ в режиме переменных нагрузок изменяется и скорость генерации тепла. В то же время при быстром запуске ЭХГ необ­ ходимо подводить тепло к батарее ТЭ. Обычно повыше­ ние температуры батареи при запуске обеспечивается за счет саморазогрева.

Продуктом реакции в водородно-кислородном ТЭ является вода. Массовую скорость ее генерации можно рассчитать по уравнению (74), которое после подстанов­ ки численных значений принимает вид:

90

Удаление воды из ТЭ осуществляется статическим пли динамическим методом [Л. 37, 38]. При статическом методе вода из зоны реакции диффундирует к поверх­ ности с низким парциальным давлением паров воды. Низкое давление паров воды может быть получено ох­ лаждением поверхности ниже точки росы. Вода с охлаж­ денной поверхности конденсируется и стекает под дейст­ вием сил гравитации или отсасывается фитилями. Пары воды могут быть также поглощены пористой мембраной

одного или двух рабочих газов, проходящих через элек­ тродные камеры. Затем пары воды либо сбрасываются вместе с реагентами в окружающее пространство (про­ дувка), либо конденсируются и отделяются от реагентов. Вода может также разбавлять электролит и выводиться с раствором электролита из ТЭ, затем электролит может сливаться, концентрироваться или подвергаться электро­ диализу. Вода из разбавленного электролита может быть также выведена потоком газа.

Система терморегулирования обычно связана с систе­ мой отвода воды, так как часть тепла отводится за счет испарения воды. Тепло отводится от батареи ТЭ охлаж­ дающими газами, обдувающими ТЭ, теплоносителем, проходящим через теплообменные устройства в батарее ТЭ, радиационным излучением в окружающую среду или циркуляцией электролита. Системы терморегулиро­ вания и отвода воды будут рассмотрены применительно к конкретным ЭХГ.

19. Среднетемпературные элементы и ЭХГ

а) Элементы Бэкона

Первым разработал ТЭ со свободным электролитом и технически приемлемыми характеристиками Ф. Бэкон [Л. 34]. Им были предложены двухслойные металлокера­ мические электроды, запорный слой которых содержал узкие поры, активный слой — широкие поры. Материа­ лом электродов служил никель. Для повышения корро­ зионной стойкости кислородный электрод окислялся, для

91

рость процесса. Как показали исследования, ток воз­ растает 'пропорционально корню квадратному из давле­ ния газа. Как видно из рис. 9, в ТЭ получены высокие плотности тока. Максимальная плотность .мощности со­ ставляет 1,60 Вт/ем2. Напряжение ври плотности тока 200 мА/см2 составляло 0,95 В, а к. п. д. ТЭ—0,77.

Недостатками ТЭ Бэкона являются работа при высо­ ких давлениях и соответственно большая масса конст­ рукционных материалов. Топливный элемент имеет огра­ ниченный срок службы из-за коррозии электродов и кон­ струкционных материалов.

б) Батареи топливных элементов ОНИА

пользуются двухслойные металлокерамическне никеле­ вые электроды влощадыо более 150 см2, причем кисло­ родные электроды лптируются по методу Бэкона. Элек­ тролитом ТЭ служит 30%-ный раствор КОН, напряже­ ние ТЭ при плотности тока 200 мА/см2 составляет0,8 В. Удаление воды и тепла осуществляется периодическим отводом части электролита, находящегося под давлением азота.

при атмосферном давлении и 170—230 °С. Электролитом служил раствор КОН высокой концентрации (80—85%). Топливный элемент тіри плотности тока 100 мА/см2 име-

92

ёт напряжение 0,9 В. При испытании в течение 1200 ч ТЭ практически не изменяют своих характеристик. Име­ ются ТЭ, которые проработали при испытании более

10 000 ч.

в) Топливные элементы и ЭКГ фирмы Пратт и Уитни

Фирма Пратт и Уитни (США), купившая патент Бэкона, применила 85% раствор КОН, это позволило работать при 200—;260 °С при невысоких давлениях [Л. 40—44]. Топливный элемент состоит из двухслойных пористых никелевых электродов с рабочей поверхностью 370 см2 и электролита между ними. Изменение объема электролита компенсируется гофрированными трубками над ТЭ. Все уплотнительные прокладки выполнены из тефлона. Топливный элемент снабжен нагревателями для разогрева при пуске и компенсации тепловых потерь при работе с малой мощностью. ТЭ имеет пологую вольтамперную кривую. При плотности тока 25—200 мА/см2 напряжение ТЭ изменяется в пределах 1,1—0,9 В. Недо­ статком ТЭ фирмы Пратт и Уитни является затвердева­ ние электролита при снижении температуры и необходи­ мость специальных устройств для

93

отделяется от газа в сепараторе 5 центробежными сила­ ми и поступает для 'Потребления экипажем космического корабля. Водород с оставшимися парами воды через теплообменник поступает в батарею. Тепло от батареи отводится излучением, теплопроводностью через корпус и циркуляцией водорода. При постоянной температуре отвод тепла за счет излучения и теплопроводности не зависит от мощности. Кратность циркуляции водорода растет с увеличением мощности батареи и зависит от температуры батареи и определяется перепадом темпе­ ратур на выходе и входе в батарею. Отвод тепла от конденсатора и теплообменников осуществляется тепло-

94

Таблица 9

носителем (водным раствором гликоля), циркулирую­ щим во вторичном контуре через радиаторы, входящие в систему терморегулирования космического корабля.

Общий вид ЭХГ приведен на рис. 11 (его масса ПО кг, объем 0,07 м3). Мощность на собственные нужды составляет 10% от общей мощности ЭХГ. Ресурс ЭХГ 1500—2 500 ч. Кислород и водород хранятся в баках СХП (системы хранения и подачи реагентов). Кислород подается из баков под давлением 6,2-10е Па, подогре­ вается и после редуцирования давления до 4,6-ІО5 Па поступает в батарею ТЭ. Водород подается из баков СХП под давлением 1,7-ІО6 Па, подогревается и после редуцирования давления до 4,3 • 105 Па поступает в ба­ тарею ТЭ.

20. Низкотемпературные элементы со свободным электролитом и ЭХГ на их основе

Хотя в среднетемпературных ТЭ получены высокие значения плотности мощности, однако они имеют опре­ деленные недостатки: относительно невысокий ресурс, затвердевание электролита при понижении температу­ ры, длительный запуск ТЭ. Поэтому многие организа­ ции и фирмы пошли по пути разработки низкотемпера­ турных ТЭ.

а) Элементы Юсти, ЭХГ фирм Варта и Сименс

Широкие исследования по разработке водородного металлокерамического электрода со скелетными никеле­ выми катализаторами (двухокелетного — ДСК-электро-

95