1598005413-fed7095c5cc635c55b82ef4e37ea2648 (Электрохимическая энергетика. Н.В. Коровин, 1991u), страница 14

*зПродукты переработки природньп топлив. 'зВоздух с добавлением СО2. (газовая сторона) и активного слоя (тефлон — 10-15 масс. долей в %, остальное - уголь и катализаторы). Катализаторами служат: анода -Р)г/Рс](0,5 гlм'), катода — либо оксиды (перовскиты или шнинели — кобальтовые или марганцевые), либо платина (5 г/мх). Толшина электродов 0,1-0,2 мм. Электролитом служит 74 Л гированный ,зссид Рй „8, АВ Ренея ( 05кг/м,) сас товым слоем ! илрофильиый М! Гилрофобизированиый уголь и шин„ельный катали- затор (/, В ' М", Ресурс Литера- кв /з з тура т,ч Хгт, МА ° ч/ма !ОООО РО 50000 80 10000 16 5(ВО 10 В 7 7 2 У Р 5 Рис.

2.4. Схема электрода фиРмы 'Х]пион Карбайл". 1 — раствор; 2 - гидрофильный никелевый слой, армированный сеткой; 3 — слой актнвиРованного угля; 4 — угольный слой с переменной гидрофобностьв; 5 - гаэ вую сеткУ, иатеющую толщину 0,25 мм. Площадь поверхнос и лектродов 0,047 ма. К аноду прилегает пористая никелевая пластина, имеющая систему узких и широких пор.

Узкие поры заполнены РаствоРом электРолита, чеРез шиРокие поРы водород поступает к аноду. Магниевые разделительные панели примыкают к катоду и аноду и служат для подвода реагентов, прокачки теплоносителя и токоотводами. Схема ТЭ приведена на рис. 2.8, характеристика ТЭ - на рис. 2.3 (кривая 2) и в табл. 2.5 (поз.5). В 80-х годах фирма еР]нтернейшенел грюел Селля (на базе ЮТК и японской фирмы "Тосиба" ) провела дальнейшее совершенствование ТЭ 1170, с. 155-158). Полимерная матрица была заменена на матрицу из титаната калия со связующим из бутилового каучука, Р1-Рг[-катализатор заменен на Р1-катализатор на угольном носителе.

При плотности тока 2,8 кА/м и темперао туре 60 С скорость деградации напряжения шестиэлементного модуля не превышала 2 мкВ/ч в течение 1800 ч. Рис. 2.5. Схема биполярных электродов Корделга [86, с. 1233-1242]г 1 — анод 2 — катод1 3 — водород; 4 - кислород; 5 — токоотвод; 6 - токоотвохэь хдая биполярная пластина; 7 - рамка для распределения газа н электролита; 8— Резиновая прокладка однослойные никелевые электроды толщиной 0,5-0,75 мм с гюристостью 85%, активированные Р1-Рд-катализатором на ансз де иА8- на катоде.

Электроды с двух сторон прижимались к асбесту, пропитанному раствором КОН с массовой долей 30-357э. Вода удалялась с помощью водотранспортных асбестовых в никелевых пористых пластин, расположенных за камерой водородного электрода (рис. 2.7). Вольт-амперная характеристика элемента весьма высокая (см. Рис. 2.3, кривая 3). При плотности 2500 А/м' напряжение элемента было равно 0,90 В.

При использовании воздуха элемент работал при плотности тока 1350 А/м' и напряжении 0,83 В. Ресурс элемента при плотности тока 1 кА/мэ ([7= 0,97 В) превышает 5000 ч. Характеристики элемента приве. ,дены в табл. 2.5 (поз. 4). Для повышения ресурса ТЭ фирма "Юнайтед технолоджи Кон (ЮТК, США) заменила асбестовую мембрану на мембрану иэ специального полимера толщиной 0,5 мм (90, с. 390-395; 155) Катализаторы из сплавов: платина-золото на катоде (100 г/м') и платина-палладий на аноде (30 г/мх) наносились на никеле. 76 Рнс. 2 6 6 Схема батареи ТЭ с биполярными электродами [86, с. 1233 1242].

1 — концевая плата; 2 — злектролитная рамка; 3 - биполярная пластина' 4- выход злак алек о тролита; 5-концевая биполяРная пластина; 6 -коллекторная сторона трода; 7 — биполярнын ТЭ; 8 — угольная сторона электрола г 5 ьксн Рис. 2.7. Скема элемента с асбестовой меы. бРаной (б) и Распределение концентрации (а)с 1 — О2-камера: 2 — О2-электрод) 3 — ас. бестовая мембрана-электролит; 4 2' влектрод; 5 — Н2-камера; б — водотранспэрь иая асбестовая мембрана; 7 — пористая никелевая пластина; 8 — Н20-камера; Э граница жидкость-пар; 10 — распределение концентрации КОН 2З.4. Анализ состоярия развития ТЭ с щелочным электролитохс Кроме рассмотренных ТЭ были раз.

работаны еще другие их модифика. иии. Однако в настоящей книге рассмотрены ТЭ, на основании ко торых созданы ЭХГ, прошедшие длительные испытания. Наибольпдй успехи в разработке ТЭ достигнуты 8 ) шестидесятых годах. За 10 лет плот. ность мощности ТЭ (зг()) возрослв в 5-10 раз, ресурс — в 5-10 раз, толщина элементов снизилась в 2- 3 раза, а расход катализаторов — в 2-10 раз. К концу 60-х - на чалу 70-х годов была достигнута рабочая удельная мощность на единицу площади поверхности и объема электрохимической группы 0,4-1 кВт/м' и 100-500 кВт/м', ресурс 5000 — 10 000 ч. По.

казана возможность длительной работы (более 10 000 ч) электро. дов без драгоценных металлов или с применением платины <10 г/мв ил)2 серебра (на катоде) <0 5 кг/мв. Однако ТЭ с щелоч. ным электролитом долговременно могут работать лишь при использовании чистых водорода и кислорода, что существенно сокращает области их применения. Эти ТЭ могут найти приме нение в установках, в которых генерируются чистые кислород и водород, например при аккумулировании энергии солнца, ветра, в пиковых энергоустановках. Однако необходимо удешевить эти 79 и увеличить их ресурс.

Одним из путей снижения их стоимости является исключение использования драгоценных металлов Анодным катализатором может быль легированный скелетны0 никель, катодным могут быть шпинели, перовскиты, термооб работанные металлоорганические комплексы. При этом необ' 78 Рис. 2.8. Схема ТЭ фирмы 8)тк. 1 — а ель ислородной камеры; 2 — катод; 3 — матрица; 4 - анод' 5 — пори тая никелевая пластина; б — панель водородной камеры; 7- носителя - каналы лля тепдо. ходимо увеличить напряжение элементов с этими катализато рами до 0,95-1 В при 1г > 1 кА/м', обеспечить удельную мощность электрохимических групп М В 1 кВт/м',А1 = 500 кВт/мв, увег у личить ресурс до 10 ° 10» ч. С учетом научного задела, опыта работы 60-х годов, можно полагать, что достижение таких показателей возможно, но для этого потребуется 5-10 лет интенсивной работы ученых и инженеров.

2.4. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С КИСЛОТНЫМИ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ 2.4.1. Т оплиеные элементы с ионнообменными мембранами ~Н М). С целью уменьшения толщины и упрощения ТЭ и всего ~НО ЭХГ фирмой еДженерал Электрик" (США [90, с. 390-395; 27, с. 210-217) и в СССР [121 были разработаны ТЭ с ИОМ. В первых и пользовалась катионообменная (с проводимостью по ионам водорода) гетерогенная мембрана на основе сульфированного полистирола. Элемент состоял из ИОМ, на которую наносились катализаторы (платина и палладий).

К мембране пр жи иись токосъемники — платинированные„платиновые или тнтановые сетки. Вода отводилась от кислородного электрода с помощью фитилей. Элемент работал прн температуре 38'С и обеспечивал плотность тока 320 А/мв при напряжении 0,8 В и 700 А/мх и при напряжении 0,7 В. На основе этих ТЭ были созданы ЭХГ м щностью 0,6-1 кВт, которые обеспечивали энергией "осмический корабль "джемини". Однако ресурс первых ТЭ был невелик (1000-2000 ч) из-за нестабильности мембраны, особенно при повышенных температурах. Фирмой "Дюпон" была разработана более стабильная ИОМ "Нафион" (см. э 1.6), на базе которой были созданы усовершенствованные ТЭ [27, с.

210-217; 90, с. 390-395), рабочая температура увеличилась до 82'С. Имеют. ся сообщения об испытаниях ТЭ даже при температурах выше 100'С [9, 12). Элемент состоит из ИОМ, к которой с двух сторон прижимаются золоченные сетки с платиновым катализатором (40-240 г/мз на катоде и 20-220 г/мэ на аноде).

Плотность тока при длительной работе 1,1-1,3 кА/мэ, кратковременной — 2,8- З,О кА/мз. Ресурс ТЭ более 34 000 ч. На базе ТЭ с ИОМ разрабо. таны ЭХГ космического назначения мощностью 2-5 кВт, с удельной мощностью до 130 Вт/кг и КПД 50-70%. В СССР на базе ИОМ МФ.4СК [38) создано несколько вариантов ТЭ [12]. На ИОМ наносится платиновая чернь (10 г/мз), к мембране прижимаются гидрофобизированные угольные элект. роды с массовой долей Фторопласта 20%, толщиной 0,7-1 мм. В катоды дополнительно вводится платина (40 г/мэ). Напряжение ТЭ при температуре 85'С, давлении О,З МПа и плотности ток 0,5-1,0 кА/мз составляет 0,8-0,7 В. На основе этих ТЗ были раз работаны, испытаны кислородно. водородные ЭЭУ мощность 35 Вт и 1 кВт, а также воздушно-водородные портативные ЭЗ мощностью 20 Вт. Следует, однако, отметить, что из-за высокой стоимости ИОМ и больших расходов платины стоимость ТЭ относительно высо.

ка. Оценки показывают, что только стоимость основных мате. риалов ТЭ превышает 1000 руб/кВт. Поэтому ТЭ с ИОМ пока могут найти применение лишь для специальных целей. 2.4.2. ТЗ с сернокислым электролитом. В ТЭ с кислотным электролитом можно использовать воздух и продукты конвер сини природного топлива без очистки от диоксида углерода Поэтому давно велись исследования ТЭ с сернокислыми электролитами, так как На804 доступна, а ее растворы имеют вы. сокую электрическую проводимость и устойчивость.

Наиболы ших успехов добилась фирма "Телефункен" (ФРГ), создавшая электроды на основе карбида вольфрама [42; 66, с. 183; 67; 90). Карбид вольфрама получают при взаимодействии оксида вольфрама с монооксидом углерода при температуре 700-800'С Гидрофобизированные электроды, состоящие из карбида воль. Фрама, угля и тефлона, обеспечивают при температуре 70-90'С плотность тока 1 кА/мэ при поляризации 100 мВ. Воздушно- 00 дородные ТЭ с сернокислым электролитом (массовая доля 2 5О4 - 36'У ), с гидрофобизированными электродами и каталиаторами иэ карбида вольфрама на аноде из платины на катоде ,„ели при температуре 70-90' плотность тока 1 кА/м' при пряжении 0,5 В.

Ресурс ТЗ превышал 10 000 ч. На базе этих ТЭ оздана воздушно-метанольная ЭЭУ мощностью 1-2 кВт, в оторой метанол подвергается конверсии, а продукты конверии подаются в ТЭ. К недостаткам рассмотренного ТЭ следует тнести потребность в платине на катоде и невысокий КПД примерно 30%). Соответственно КПД энергоустановки будет оизмерим с КПД двигателей внутреннего сгорания. В перспективеР1 может быть заменена на другие катализаторы, например термообработанные органические комплексы, а КПД можно увеличить при уменьшении плотности тока, улучшении конст.

рукции ТЭ, увеличении температуры. 2.4.3. Топливные элементы с фосфорнокислым электролитом (ТЭФКЗ). При повышении температуры ТЭ до 150-200'С обеспечивается решение нескольких задач. Увеличивается скорость процессов на электродах и КПД ТЭ, уменьшается.и количество катализаторов и их чувствительность к ядам, облегчаются процессы отвода воды и тепла из ТЭ и др. Однако при температуревыше 100-120'С концентрированные растворы Н0804 неДостаточно устойчивы, поэтому электролитом в среднетемпературных ТЭ служат концентрированные (95-98%) растворы Фосфорной кислоты нзРО4 [68; 94-97).