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

ВТЭ — батарея топливных элементов; БА — батарея свинцо­ вых аккумуляторов; КП — контрольная панель; М — мотор; Д — диод: ОЛ — обводная линия.

112

Кривые батареи ТЭ и аккумуляторов приведены ііа рис. 18, откуда видно, что при малых нагрузках напря­ жение батареи ТЭ выше, чем напряжение батареи акку­ муляторов, в этом случае батарея ТЭ может заряжать батарею аккумуляторов. При больших нагрузках часть энергии отбирается от аккумулятора. Для предупрежде­ ния электролиза в батарее ТЭ от батареи аккумулято­ ров, когда напряжение последней выше напряжения ба­ тареи ТЭ, в цепь включается диод Д, обеспечивающий течение тока в одном направлении (рис. 19). Переполюсовка в батарее ТЭ может быть устранена импульсом тока от аккумулятора путем включения обводной линии ОЛ. С помощью резисторов обеспечивают изменение скорости п нагрузки системы.

Как показали опыты, при эксплуатации автомобиля расход водорода составляет 5,5 м3/100 км. Потери водо­ рода из-за токов утечек и иа продувку составляли около 3%. Вспомогательное оборудование ЭХГ потребляло мощность 250—300 Вт или 4—5% мощности батареи при плотности тока 110 мА/см2; к. п. д. системы был око­

ло 50%.

з) Топливные элементы Института нефти (Франция)

Во французском Институте нефти [Л. 59—61] разра­ батываются ТЭ на основе комбинированных угольноникелевых электродов. Электроды готовят нанесением па одну сторону пористой никелевой ленты активирован­ ного угля с катализатором, которым служит серебро на

сится фторопластовая эмульсия, образующая гидрофоб­ ный слой, контактирующий с газом. Толщина электрода 0,4 мм, масса 50 мг/см2. Рабочая поверхность 120 — 150 см2. В водородно-воздушном ТЭ получены плотности тока 40— 100 мА/см2 при 50—60 °С и напряжении 0,7 —

0,75 В при ресурсе несколько тысяч часов.

Батарея водородно-воздушных ТЭ мощностью 500 Вт при напряжении 11 В имела массу 15 кг и была испы­ тана в течение 600 ч при удельной мощности элемента 60 мВт/см2. Удаление воды осуществлялось воздухом н конденсацией из водорода. Воздух предварительно очи­ щался от С 02 противотоком раствора КОН.

іі) Элементы фирмы Электрик Пара Сторидж

Угольные электроды разработаны также фирмой Электрик Пауа Сторидж [Л. 62—64]. Смесь угля, акти­ вированного катализатором, с гидрофобной связкой прессуется на никелевую или серебряную сетку. Ката­ лизатором кислородного электрода служит серебро, ко­ торое наносится на уголь восстановлением A gN 03 при

500°С. Катализатором водородного электрода служит платина. Фирма создала батарею ТЭ мощностью 1 кВт с циркулирующим электролитом и испытывала ее в те­ чение 1 года.

Эта же фирма разработала батарею водородно-кис­ лородных ТЭ для буев и бакенов. Для упрощения устройства и снижения м'ассы батареи тепло отводится в окружающую среду, отвод воды не производится. По мере работы батареи происходит разбавление электро­ лита и увеличение его объема, поэтому батарея имеет пространство для повышения уровня электролита. Часть пространства батареи заполнена сухой щелочью, поэто­ му при увеличении объема раствора электролита про­ исходит растворение КОН и восстановление концентра­ ции раствора. Как показали исследования, при измене­ нии концентрации КОН от 594 до 56 г/л напряжение ТЭ при 24°С и плотности тока 10 мА/см2 изменяется от 0,82

до 0,78 В.

При температуре 15 °С изменение напряжения более значительно, поэтому необходимо снижать плотность тока. Удельная энергия на буях и бакенах составляет

90— 110 Вт-ч/кг.

Топливные элементы с электродами на пластмассо­ вой основе. Фирма Шелл [Л. 32, 65] создала электроды на основе микропористого поливинилхлорида толщиной 0,76 мм с порами 5 мкм, которые получают при вымы­ вании крахмала из композиции с поливинилхлоридом.■ На пористую пленку наносят серебро сначала вакуум­ ным напылением, затем электроосаждением. Для по­ вышения 'коррозионной стойкости серебряная основа по­ крывается родием толщиной 0,2 мкм. На металлическую основу напыляется смесь связки угля и катализатора. Катализаторами служат серебро на кислородном элек­ троде и металлы платиновой группы на водородном элек-

114

троде. Особенностью ТЭ также является кислый электро­ лит (6п HoSO/,). В батарее мощностью 250 Вт получено

напряжение на элементах 0,57 В при 25—30 °С и плот­ ности тока 50 мА/см2.

21. Топливные элементы с ионообменными мембранами и ЭХГ на их основе

а) Элементы фирмы Дженерал Электрик

Топливные элементы с ионообменными мембранами были разработаны фирмой Дженерал Электрик [Л. 66];

ТЭ состоит из мембраны, двух электродов и распредели­ теля газа по поверхности. Напряжение ТЭ зависит от сопротивления мембраны и контактных сопротивлений между мембраной и электродами.

Сопротивление мембраны определяется ее толщиной и удельным электрическим сопротивлением, зависящим от типа и влагосодержания мембраны. Контактное элек­ трическое сопротивление определяется способом, пло­ щадью и плотностью контакта мембраны и электрода. Катализатор может быть нанесен непосредственно на мембрану методом напыления, химического осаждения или прессования. В этом случае обеспечивается хоро­ ший контакт с мембраной. Электрод может быть также механически прижат к мембране.

Фирма Дженерал Электрик первоначально пополь­ зовала гетерогенные мембраны толщиной 0.25 мм на основе сульфированного полистирола с фторопластовым связующим. Мембрана имеет следующие характеристи­ ки: влагосодержание 25—30%, удельное электрическое сопротивление 60—70 Ом ■см, электроосмос 2,3 — 2,5 моль ТЬО/фарадей.

Электродами служат платинированные никелевые, платиновые пли титановые сетки, механически при­

жимаемые гофрированными токосъемниками к мем­ бране.

Характеристики ТЭ непрерывно улучшаются. Так в лаборатории получены следующие результаты [Л. 67].

Основным недостатком ТЭ с ионообменными 'мембра­ нами является малый срок службы из-за нестабильно­ сти мембраны, особенно при ‘пониженной влажности н повышенной температуре.

Ухудшение характеристик ТЭ во времени также мо­ жет быть обусловлено отравлением катализатора орга­ ническими веществами, вымываемыми из мембраны.

Фирма Дженерал Электрик работает над созданием более стабильных мембран па основе фторсодержащих полимеров, благодаря чему повышается срок службы и теплостойкость ТЭ. Приведенные ранее данные по улуч­ шению характеристик ТЭ достигнуты в основном за счет повышения рабочей температуры ТЭ вследствие приме­ нения более теплостойкой мембраны. В лаборатории ТЭ работают до 15 000 ч. Фирма планирует создать батареи массой 7 кт/кВт.

Электрохимические генераторы на кораблях «Джемини»

На основе ТЭ с ионообменной мембраной фирмой Дженерал Электрик были разработаны водородно-кис­ лородные ЭХГ для космических кораблей типа «Джема­ ми» [Л. 40, 67, 68]. Система энергопитания корабля

должна обеспечивать суммарное потребление 200 кВт-ч в течение двухнедельного полета. Энергоустановка вклю­ чает в себя систему храпения водорода и кислорода, ба­ тарею ТЭ, системы удаления воды и отвода тепла (рис. 20), а также батарею серебряно-цинковых акку­

муляторов и систему автоматического управления. Батарея водородно-кислородных ТЭ биполярного ти­

па состоит из двух секций, каждая из которых имеет три блока, соединенных параллельно. Средняя мощность секции 600 Вт, пиковая мощность 1 кВт, напряжение па выходе 22—30 В. Масса 31 кг, объем 51 л.

Каждый блок состоит из 32 последовательно соеди­ ненных ТЭ размерами 0,18X0,2 м толщиной 0,45 мм.

116

Рис. 20. Принципиальная схема системы энергопитания космического корабля «Джемипи».

/ — б а т а р е я Т Э ; 2 — б а к д л я с б о р а в о д ы ; 3 — б а к д л я х р а н е н и я в о д о р о д а ; 4 — б а к д л я х р а н е н и я к и с л о р о д а ; 5 — т р у б о п р о в о д д л я п о д а ч и в о д о р о д а ; 6 — т р у ­ б о п р о в о д д л я п о д а ч и к и с л о р о д а ; 7 — т р у б о п р о в о д ц и р к у л я ц и и т е п л о н о с и т е л я ;

S — т е п л о о б м е н н и к и д л я п о д о г р е в а к о м п о н е н т о в ; 9 — н а с о с ц и р к у л я ц и и т е п л о ­ н о с и т е л я ; 10 — х о л о д и л ь н и к - и з л у ч а т е л ь .

Срок службы 2 000 ч. Водород п кислород хранятся

няя)— из титанового сплава. Масса водорода и кисло­ рода для двухнедельного полета (160 кВт-ч) составляет 90 кг. Водород и кислород перед подачей в батарею ТЭ подогреваются в теплообменнике и редуцируются до ра­ бочего давления 1,57-ІО5 Па. Для освобождения от

инертных примесей производится периодическая продув­ ка (через 180 ч). Образующаяся в ТЭ вода удаляется со стороны кислорода, конденсируясь на охлаждаемом то­ косъемнике, откуда с помощью фитилей отводится к се­ паратору, где отделяется от кислорода и поступает в бак с питьевой водой. »

После заполнения бака для питьевой воды вода по­ ступает в бак испарителя, при заполнении последнего сбрасывается за борт.

117

мембраны. Схема ТЭ с такой мем­ браной приведена на рис. 21. Образующаяся вода испа­

ряется в водородную камеру и затем поглощается асбе­ стовой водотранспортной мембраной, содержащей более концентрированный раствор КОН, чем мембрана — элек­ тролитоноситель в ТЭ. Вода из водотранспортной мем­ браны удаляется через пористый никель в камеру, имею­

119