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).  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.  êà÷åñòâå îêèñëèòåëÿ èñïîëüçóþòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî êèñëîðîä O>2>, à òàêæå ïåðåêèñü âîäîðîäà H>2>O>2>, àçîòíàÿ êèñëîòà HNO>3>, ãàëîãåíû Cl>2>, F>2>. Ïðè âûáîðå ðàáî÷èõ òåë ÝÕà 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 ÝÕà â êà÷åñòâå ãîðþ÷åãî ïðèìåíÿåòñÿ âîäîðîä H>2> è ãèäðàçèí N>2>O>2> â ñâÿçè ñ èõ âûñîêîé àêòèâíîñòüþ, ëåãêîñòüþ ïîäâîäà è îòâîäà êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè, äîñòàòî÷íî âûñîêîé óäåëüíîé ýíåðãèåé. Èçâåñòíû ðàçðàáîòêè ÝÕà ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòàíà CH>4>, ïðîïàíà C>3>H>8>, à òàêæå ìåòàíîëà CH>3>OH, àììèàêà NH>3>, 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 ÝÕà ñëóæàò ïàðû âîäû, ýòè ÝÕà 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 (H>2> è O>2>) â ðåãåíåðàöèîííûõ öèêëàõ.

Îáùèì äîñòîèíñòâîì ÝÕà 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 ÝÕà îïðåäåëÿåòñÿ èìåþùèìñÿ çàïàñîì òîïëèâà (â îòêðûòûõ öèêëàõ) ëèáî äîëãîâå÷íîñòüþ âñïîìîãàòåëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ â öèêëàõ ñ ðåãåíåðàöèåé; ðåñóðñ ÝÕà ìîæåò ïðåâîñõîäèòü 104 ÷.

Ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü ÝÕà 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.)  ïåðñïåêòèâå âîçìîæíî ñîçäàíèå ÝÕà ìîùíîñòüþ P=103 êÂò ïðè ÊÏÄ h=0.9.

Íåäîñòàòêè ÝÕà 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 ÝÕà íåëüçÿ äîñòàòî÷íî áûñòðî âûâåñòè ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñáàëàíñèðîâàííîé ðåàêöèè â ÝÕà íåîáõîäèìî ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíûõ ïîäñèñòåì îáåñïå÷èòü ðàçäåëåíèå è äîçèðîâàííóþ ïîäà÷ó êîìïîíåíòîâ òîïëèâà, à òàêæå íåïðåðûâíîå óäàëåíèå êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ òîêîîáðàçóþùåé ðåàêöèè. Ïîêàçàòåëè ÝÕà äîñòàòî÷íî ÷óâñòâèòåëüíû ê ÷èñòîòå õèìðåàãåíòîâ, ïðèìåñè ñóùåñòâåííî ñíèæàþò ýôôåêòèâíîñòü ÒÝ, èõ ðåñóðñ.

2. Îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ.

Ïðèìåíåíèå ÝÕà 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 ÝÕà â ðàçðàáîòêàõ äëÿ êîñìè÷åñêèõ ïðîãðàìì "Àïïîëîí", "Äæåììèíè", "Ñêàéëåá", "Ñïåéñ Øàòòë" è äð. Ïðîâîäÿòñÿ ìíîãî÷èñëåííûå ðàçðàáîòêè è èññëåäîâàíèÿ ïî ïðèìåíåíèþ ÝÕà 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.

 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.

 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 H>2> è O>2> 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.  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 H>2> è îêèñëèòåëÿ O>2>), 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,

Â

Ðàñõîä íà åäèíèöó ãåíåðèðóåìîé

ýíåðãèè, ã/ÌÄæ

Ýíåðãèÿ íà åäèíèöó ìàññû

òîïëèâà, êÄæ/êã

ãîðþ÷åãî

îêèñëèòåëÿ

òîïëèâà

H>2 > - O>2>

0.9

10.6

91.6

102.2

9750

C>3>H>8> - O>2>

0.8

27

91.6

118.6

8460

NH>3> - O>2>

0.7

83.4

116.6

200

5000

N>2>H>4> - O>2>

0.9

91.6

91.6

183.2

5450

N>2>H>4>-H>2>O>2>

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 R>í> íàãðóçêè, êîòîðîå ïîäêëþ÷åíî ê ìåòàëëè÷åñêèì íàïëàâêàì íà ýëåêòðîäàõ.

Ãàçîîáðàçíûå êîìïîíåíòû õèìè÷åñêîãî òîïëèâà - îòäàþùèé ñâîè ýëåêòðîíû âîññòàíîâèòåëü H>2> è ïðèñîåäèíÿþùèé ýëåêòðîíû îêèñëèòåëü O>2> - - 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.  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:

 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 R>í> ïðîõîäÿò ýëåêòðîíû 4e-, ñîâåðøàÿ ïîëåçíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ðàáîòó (íàïðàâëåíèå òîêà I ïðîòèâîïîëîæíî ïåðåìåùåíèþ ýëåêòðîíîâ).

4.  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 2H>2>O 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: p>r> = p>ý + >p>ê> ;

çäåñü p>r> - âíåøíåå äàâëåíèå ãàçîîáðàçíûõ ðåàãåíòîâ ( âîäîðîäà èëè êèñëîðîäà ); p>ý> - ãèäðîñòàòè÷åñêîå äàâëåíèå ýëåêòðîëèòà; p>ê> =( cos)/d -

åãî êàïèëëÿðíîå äàâëåíèå â ïîðàõ ýëåêòðîäîâ;  - ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå (H/ì);  - óãîë ñìà÷èâàåìîñòè; d - äèàìåòð ïîðû.

 èçãîòîâëÿåìûõ äâóõñëîéíûìè ýëåêòðîäàõ ÝÕà ïîðû âûïîëíÿþòñÿ ñ ðàçëè÷íûìè çíà÷åíèÿìè d.Ñëîé, êîòîðûé îáðàùåí ê ãàçîâîé ñðåäå(Í>2 >èëè Î>2>) è ñîäåðæèò èçìåëü÷åííûé êàòàëèçàòîð ( íàïðèìåð, Pt), èìååò òîëùèíó  ììè ïîðû ñ  ìêì.  îáðàùåííîì ê KOH ñëîå ñ ìì ïîðû èìåþò d ìêì. Äàâëåíèå p>ç> ìåíüøå íà

÷åì äàâëåíèå êîòîðîå ïðåïÿòñòâóåò âûòåêàíèþ ýëåêòðîëèòà. Íåéòðàëüíûå ìîëåêóëû èëè àòîìû ãàçîîáðàçíûõ êîìïîíåíòîâ ïðè ýòîì çíà÷åíèè p>r> 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 H>2>SO>4>.

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 ÝÕà 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 H>2> è O>2>. 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 R>í> ïîñòóïàþò ê êàòîäó. Ïîëó÷åííàÿ âîäà (H>2>O)>n> ïîä äåéñòâèåì ãðàäèåíòà åå êîíöåíòðàöèè âîçâðàùàåòñÿ ê àíîäó. Äâå ìîëåêóëû âîäû (2H>2>O), 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.

 îòäåëüíûõ óñòàíîâêàõ âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå ÝÕà ñ ÒÝ, ðàáîòàþùèìè íà äðóãèõ êîìïîíåíòàõ òîïëèâà, êðîìå H>2> - O>2>. 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 R>í>, 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 N>2>H>4>. Ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ ãèäðàçèíà èìååò ìåñòî â ÝÕà 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 R>âí>. Ïðè ýòîì óðàâíåíèå âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè ïðèáëèæåííî çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

U = E>í> - IR>âí>.

ãäå E>í> - ÝÄÑ ïðè íàãðóçêå, ó÷èòûâàþùàÿ àêòèâàöèîííóþ è êîíöåíòðàöèîííóþ ïîëÿðèçàöèþ; ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðîëèòà R>ýë> ïðàêòè÷åñêè ðàâíî R>âí> è ó÷èòûâàåò "îìè÷åñêóþ" ïîëÿðèçàöèþ.

Îáùàÿ ôîðìà âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè ÝÕà 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; (I>ý>, U>ý> - 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 R>í>, L>í> - ñîïðîòèâëåíèå è èíäóêòèâíîñòü íàãðóçêè; L>ý,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.

ÝÕà 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 ÝÕà êàê òåõíè÷åñêóþ ñèñòåìó, ñîñòîÿùóþ èç ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîäñèñòåì. Óêðóïíåííàÿ ñõåìà ÝÕà (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 ÏÎà è îêèñëèòåëÿ ÏÎÎ; ïîäà÷è ãîðþ÷åãî ÏÏà 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 ÝÕà â ÏÕÃ, ÏÕÎ îñóùåñòâëÿåòñÿ êðèîãåííîå õðàíåíèå ñæèæåííûõ êîìïîíåíòîâ òîïëèâà, â ÏÎÃ, ÏÎÎ ïðîèçâîäèòñÿ íàãðåâ H>2> è O>2> , 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 ÝÕà 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 ÝÕà 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 H>2>O 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 ÝÕà ìîùíîñòüþ ïî 10 êÂò ( ñóììàðíàÿ ìîùíîñòü 40 êÂò ) ñåðèè "Ôîòîí" íà âîäîðîä - êèñëîðîäíîì òîïëèâå H>2> - Î>2>. Íàïðÿæåíèå îäíîãî ãåíåðàòîðà, ñîñòîÿùåãî èç 128 òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ, ñîñòàâëÿåò 29,2  ( ñõåìà ãåíåðàòîðà ñîäåðæèò÷åòûðå ïàðàëëåëüíûå âåòâè, â êàæäîé èç êîòîðûõ âêëþ÷åíî ïîñëåäîâàòåëüíî ïî 32 ýëåìåíòà). Ìàññà ÝÕà 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 ÝÕà ðàâåí 2000 ÷, åãî ÊÏÄ 62%

Äëÿ äëèòåëüíîé ýêñïëóàòàöèè â ÀÝÓ ïåðñïåêòèâíû óñòàíîâêè, â êîòîðûõ ÝÕà 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 ÝÕà è ýëåêòðîëèçåðà âîäû (ÝÂ). Ïðè áîëåå âûñîêèõ ýëåêòðè÷åñêèõ ìîùíîñòÿõ ÝÕà 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 Í>2>Î ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà: îòíîøåíèå òåïëîòû ñãîðàíèÿ ïîëó÷åííîãî òîïëèâà ê ýíåðãîçàòðàòàì íà âûäåëåíèå Í>2> è Î>2> äîñòèãàåò 70 - 80%.  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 Í>2> è Î>2> 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 Í>2> è Î>2>. Èçâåñòíû ðåãåíåðàòèâíûå ÒÝ, â êîòîðûõ ïîëó÷åííûå ãàçû Í>2 >è Î>2> 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  êã, ðàáî÷åå äàâëåíèå â áàëëîíàõ ïîääåðæèâàåòñÿ â äèàïàçîíå  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;

ÝÕà - 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;

ÏÕà - ïîäñèñòåìà õðàíåíèÿ ãîðþ÷åãî;

ÏÕÎ - ==||== ==||== îêèñëèòåëÿ;

ÏÎÃ - ==||== îáðàáîòêè Ã.;

ÏÎÎ - ==||== ==||== O.;

ÏÏà - ==||== 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;

ÏÎà - ïîäñèñòåìà îáðàáîòêè ãîðþ÷åãî;

ÏÎÎ - ïîäñèñòåìà îáðàáîòêè îêèñëèòåëÿ;

ÏÎÏÐ - ïîäñèñòåìà îòâîäà ïðîäóêòîâ ðåàêöèè;

ÏÏà - ïîäñèñòåìà ïîäà÷è ãîðþ÷åãî;

ÊÏÄ - êîýôôèöåíò ïîëåçíîãî äåéñâèÿ;

ÏÏÎ - ïîäñèñòåìà ïîäà÷è îêèñëèòåëÿ;

ÏÏÐÝ - ïîäñèñòåìà ïîòðåáëåíèÿ è ðåãóëèðîâàíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè;

ÏÕà - 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.