1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (Топливные элементы. Э. Юсти, А. Винзель, 1964u), страница 19

Полученный порошок фракционируется путем снтового рассева и воздушной сепарации. 1 вес. ч. сплава с фракционным составом 50 — 100 мкм тщательно смешивается с 1 вес. ч. карбонильного никеля (размер зерен 5 — 10 мкм) и 0,5 вес. ч. КС! (размер зерен 50 — 75 мкм) Для того чтобы изготовить дисковые электроды диаметром 40 мм, 15 г такой смеси прес- суется в жаропрочной пресс-форме при температуре 370'С под давлением 10 т/см'. Затем диск покрывается с одной стороны 2 г упомянуто~о выше никелевого порошка, в результате чего получается газонепроницаемый двухслойный электрод. После охлаждения электрод активируется п)тем выщелачивания в 10 н.

КОН при температуре 80' С. Готовый электрод весит 0,94 г/см' и содержит лишь 0,31 г АК на 1 см', другой тип электрода с более тонким рабочим слоем содержит лишь 0,05 г, так что удовлетворяется требование 9 табл. 2.1. Как следует из вольт-амперных характеристик Нэ — О,- топливного элемента с ДСК-электродами (фиг. 12в), поляризация Оэ-катода в режиме холостого хода составляет лишь 0,1 в; при предельной плотности тока 500 мв/см' и рабочей температуре 67'С поляризация катода возрастает до 0,62 в.

На разработанный Ов-катод может подаваться и воздух. Слс- дует отметить, что кислородный ДСК-электрод обеспечивает получение 4 электронов на 1 молекулу прореагировавшего кислорода. Это соответствует идеальному процессу полного сгорания с образованием в качестве конечного продукта воды. Считавшаяся до сих пор доминирующей реакция Берля, напротив, дает лишь 2 электрона на 1 молекулу кислорода, а Обратимый потенциал йг УО Ог 707 707 300 РОО 00 000 700 У Опатнасте тана, ма/см г Фиг. 12в. Напряжение на клеммах СУ и удельная мощность Н,— Оа-элемента с однослойными ДСК-электролами в зависимости от плотности тока а.

Эаеатрогат- б и. КОН. Параметр — рабочая температура. конечным продуктом реакции оказывается Н Од, которая может вызвать коррозию электродов (см. равд. 8.1, фиг. 135). 94. Н,— О,-ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ЛСК-ЭЛЕКТРОЛАМИ, РАБОТАЮЩИЕ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ При погружении описанных выше Н,-ДСК-анода и Ог-ДСК-катода в электролит, представляющий собой раствор 6 н. КОН, между ними образуется зависящее от температуры напряжение холостого хода (/о = 1,! 3 в (см. фиг.

27); отношение этого напряжения к значению обратимой э.д.с., равной Е = 1,23 в, дает ве. ичину статического к. п. д. Чо = 11ш Ч = тмо = (/о ! ° у/Е ° и ° Е = ((/о/Е) (! ° //и ° Е) = (1,13/1,23)пт = 92%, если считать, что весь переносимый реагирующим газом заряд фактически используется электрохимически, т. е. к.п.д. Глава П 94 Описание гомоиористых гиэодиффузионных ДСК-электродов 95 по току «Н = (/ 1/тг с) = 100%, как это следует из фиг, 28 для двухслойных ДСК-катода и ДСК-анода, Указанная выше величина 92% относится к изменению свободной энергии Л6 в результате токообразующей реакции. Если же к.п.д. относят к теплотворной способности Ло = ЛО + ТЛ5, то полученную величину следует еще умножить [согласно уравнению (1,3)] на максимальный теоретический к, п.д, е = Л6/ЛО, который (см.

табл. 1.1) составляет 84%. Таким образом, полный к. п, д, Нз — Оа-топливного элемента в идеальном случае (при минимальной плотности тока) равен т|в = 92 Х 84 = = 770/ Согласно общему положению электротехники, генератор отдает свою максимальную мощность, когда сопротивление нагрузки (для простоты принятое постоянным) снижает напряжение на клеммах элемента до 50'/о от значения э.д.с., т. е.

в данном случае с 1,23 до 0,615 в. При рабочей температуре 67'С, учитывая падение напряжения //7 в слое электролита (КОН) толщиной 1 мм, получают прп данном напряжении плотность тока 1 = 250 ма/см' и тем самым максимальную мощность на единицу поверхности О 615 ХО 250 = 0,154 вг/см'. Вес единицы поверхности обоих электродов вместе со слоем КОН составляет 2,0 г/см', таким образом, максимальная удельная мощность (на единицу веса элемента, исключая арматуру) составляет О,!54/2 = 0,077 вт/г = 0,077 квт/кг. При толщине электрода 2,5 мм полная толщина элемента составляет 2,5+ 1,0+ 2,5 = 6 мм; тогда максимальная удельная мощность (на единицу объема, снова без учета корпуса и арматуры) равна О,!54/0,6 = 0,256 вт/см' = 256 квт/м'.

Эта величина несколько ниже недавно полученной Бэконом [12] цифры 353 квт/м' (см. также равд. 9.11), относящейся к Нз — Оз-топливному элементу, работающему при температуре 200'С и давлении 4! атм. Однако, учитывая потребность в регуляторах давления для элементов типа Бэкона, обеспечивающих поддержание рабочего давления с точностью л-0,01 % (для элементов низкого давления требуется менее жесткая регулировка -~-20%), топливные элементы с ДСК- электродами благодаря их ггмягким» режимным параметрам могут оказаться более перспективными в отношении удельной мощности и надежности работы всей установки в целом '). ') Пренмущестно элементов с ДСК.электродами заключается нс только я отсутствии необходимости примснсния сложных ретулптороз давления, но и вообще а зозможности работы при более низких лаэлеииях, что значительно упрощает нсю устанозку.

— Прим, ред. ДСК-электроды благодаря отсутствию связанной с высокими температурами коррозии и малоустойчивой гидрофобизации имеют особенно хорошие перспективы в отношении их срока службы. Можно отметить один из опытов, в котором батарея, состоящая из трех элементов, непрерывно работает с 24 марта 1960 г, при температурах в пределах 31 — 34'С: вначале — с переменной нагрузкой (через день) 50 и 30 ма/смз, позднее — с постоянной нагрузкой 1= 50 ма/см'. Как видно из фиг.

136, вольт-амперная характеристика за это время не ухудшилась, а вначале даже несколько улучшилась за счет дальнейшего растворения алюминия. К моменту издания монографии батарея достигла «удельной продолжительности жизни» порядка 700 а ° час/см' и нет никаких оснований сомневаться в возможности получения нескольких тысяч а час/см' Учитывая к тому же возможность периодической (до 10 раз) регенерации электродов при помощи особого процесса очистки [13], ориентировочно можно ожидать срок службы в несколько десятков тысяч а час/см' при работе с Нз и Оз обычной чистоты.

Такой продолжительный срок службы важен при оценке технико-экономических перспектив использования топливных элементов с ДСК-электродами, ибо он значительно сокращает капитальные затраты на единицу мощности (квт час) [!4]. 2Л. ЭКОНОМИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ. ЭЛЕМЕНТЫ С РАСТВОРЕННЪ|М В ЭЛЕКТРОЛИТЕ ТОПЛИВОМ Если электрод обратим, то это значит, что он одинаково экономично работает как в процессе электрохимического генерирования тока, так и в обратном ему процессе — электролизе (см фиг. 62), Из фиг.

25 видно как велик технико-экономический прогресс для процесса электролиза воды. Перенапряжение для плоского %-катода при температуре 28' С и плотности тока разложения 100 ма/см' составляет 520 мв. Для лучших имеющихся в настоящее время в продаже никелевых аккумуляторных пластин перенапряжение снижено до 390 мв, тогда как для %-ДСК-электрода оно составляет всего лишь 80 мв. Естественно, что в электроде, предназначенном только для электролиза, не требуется никакой развитой удоРожающей электрод системы пор, Это обстоятельство привело к созданию так называемого «экономичного электрода» [!5], который выполняется из дешевого носителя, например никелевой сетки, на который путем горячего прессования наносится тонкий слой %-дСК-материала.

Б соответствии с Глава у! 26. ВЕНТИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ э теоретически рассчитанной и подтвержденной экспериментально глубиной проникновения линий тока в пористьш электрод !!6) этот активный слой имеет толщину 0,3 мм. Экономичные электроды, так же как и обычные ДСК-электроды, обнаруживают хорошие вольт-амперпые характеристики. Опорный скелет в активном слое препятствует быстрому разрушению массы катализатора при работе.

Такие экономичные электроды необходимы и при созда. пни элементов, работающих на растворенном в щелочном электролите жидком топливе, например муравьиной кислоте, метаноле или этиленгликоле, На никеле Ренея такое топливо дегидрируется; следовательно, экономичный электрод будет работать как водородный анод. Преимущества такого предложенного Юсти и Винзелем [5) в 1955 г. и, пожалуй, охотно принятого в большинстве исследовательских групп типа топливного элемента заключаются не только в его простоте (см.

фиг. !Оа), но и в свойственных ему высоких плотностях тока и коэффициенту использования топлива Об этом подробнее указано в равд. 1.8 и 7.2 для разработок, выполненных авторами; в равд. 9.21 — для разработок во Франции и в равд. 9.56 — для разработок компании «Аллис — Чалэ!ерсух Другой разновидностью ДСК.электродов, имеющей большое значение, являются вентильные электроды.

Под ними понимают двухслойные электроды, мелкопористый запорный слой которых со стороны. электролита выполняется из материала, характеризующегося при электролизе высоким перенапряжением, например из меди. Если па такой вептильный электрод, схематически представленный на фиг. 12г, наложить, используя любой пративоэлектрод, катодную нагрузку при напряжении, несколько превышающем обратимую ад. с. Е = 1,23 в, то в равновесных порах рабочего слоя на газовой стороне электрода, обладающих благодаря каталитической активности стенок минимальным перенапряжением, начнется электролитическое выделение водорода. Водород пе может улетучиваться в электролит, так как в узких порах запорного слоя создается слишком высокое капиллярное давление. Поэтому сухой водород поступает к тыльной стороне электрода под давлением, равным капиллярному давлению в запорном слое. Выделяющийся при эксперименте Нт имел давление до 3 атм, которое могло быть увеличено почти до 100 атм при помощи приведенной на фиг.