1598005409-d822585ccc08cc47a0cab5184af6a524 (811208), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Катодным активным веществом служат твердые окислителя — окснды ЧаОа, %0м хроматы кальция, свннца н др. Электролитом в большинстве случаев является эвтектическая смесь хлорндов лития и калия (61)ь 1ЛС1) с температурой плавлення 352'С, которая позволяет обеспечивать работоспособность батареи в температурном ннтервале окружающей среды от — 50 до +100'С. Лучшими характеристиками обладают тепловые нсточннкн тока системы Са)1)С1+КС1)СаСгО~. Суммарную токообразующую реакцию в первом прнблнженик опнсывают уравнением ЗСа+ ЖаСг04 ~ 6СаО + СгзОз Прн НРЦ, равном 3,2 В, рабочее напряжение элемента лежит в интервале 1,7 — 2,5 В.
Характер разряд- 146 ной кривой зависит от режима разряда, а также конструкционных особенностей элемента, которые определяют время активации и запас емкости (рис. 5.4). Различают чашечный (закрытый) н открытый варианты конструкции элемента. В традиционном варианте в плоский никелевый корпус (чашку) помешают один оа вв 3ф~ 3м а)1Чй 91 с ХМ йр йРИййй с,с Рис. 5.4. Типичные разрядные карактеристики теидоиык батарей е расчете иа адеыеит: У вЂ” быетроаатиаиртеман батарее.
раесеятвиивн на иратноврвнениыа рввряи; У-батареи. равряжаемаи номниаавиым реаымом анод н один или два катода, разделенные стеклотканью иля асбестовой тканью, пропитанной электролитом нз смеси 1.!С! и КС!. Корпус служит токоотводом катода. Под корпусом помещают нагреватель †ди нз смеси цнрконня н хромата бария илн другого пиротехнического состава; продукты сгорания смеси образуют изолирующую керамическую массу. Более совершенной является открытая, или таблеточвая, конструкция, не имеющая индивидуального корпуса. Такой элемент состоит из комбинации чередующихся тонких таблеток анод в электролит в катод в нагреВатель. Часто применяют тонкие диски из смеси окислителя, электролита и связующего (тонкоднсперсного кремнезема или каолниа), которые прижаты к анодам.
Элемент ограничен плоскими никелевыми токоотводамн и имеет толщину 1 — 1,5 мм. Источником тепла служит пластинка, спрессованная из смеси перхлората калия и железа; после сгорания пластинка становится ваектропроводной, обеспечивая контакт между соседними элементами. Тепловые батареи заключены н герметичный цилиндрический корпус с гермовводами, батареи повышенного 147 напряжения нли повышенной мощностя комплектуются из секций.
Каждая секция снабжена электрическим пирозапалом для воспламенения пиросмеся, разогревающей элемеяты. По оси элементов имеется сквозной канал. Параметры батарей, зависящие от размеров, количества и принципа сборки элементов, различаются в широхих пределах. Зарубежные фирмы выпускают батареи напряжением до 450 В. К наиболее миниатюрным относится 20*вольтовая батарея (фирма Са1а11з1 Кезеагсп) диаметром 13 мм и высотой 19 мм, которая активируется за 0,01 с и способна обеспечить кратковременный разряд током 5 А. Самая крупная нз тепловых батарей (фирма Еап!е — Р1спег) при диаметре 0,18 м, высоте 0,4 м и массе 20,4 кг рассчитана яа время активации 3,5 с и ток разряда до 1000 А.
Для тепловых батарей характерна высокая удельная мощность, достигающая 600 Вт/кг, однако их удельная энергия невелика (8 — 30 Вт.ч/кг). Это связано с невысокнми коэффициентами использования активных масс и прежде всего кальциевого анода. Дальнейшее улучшение удельных характеристик связывают с применением в тепловых батареях электродной пары литий — диоксид железа. По данным фирмы МБА, в этом случае удается увеличить плотность тока при разряде почти до 20 кА/м' и соответственно повыснть удельную мощность до 1500 Вт/хг; в оптимальных условнях разрядного режима достнгйута удельная энергия 100 Вт ч/кг.
Глава 6 ТОпяийнли вяиыйнты Топливный элемент (ТЭ) — это химнческяй источник тока, в котором активные вещества поступают к электродам извне по мере нх расходования при непрерывном отводе продуктов разряда. Скорость поступления веществ, как и скорость отвода продуктов токообразующих реакций, пропорциональна токовой нагрузке на элемент. Запас актнвных материалов может быть как угодно велик, и теоретически ТЭ способен работать неограниченно долго.
Топливный элемент, являясь, как и исе первичные элементы, источником тока одноразового разряда, характеризуется рядом особенностей. В отличие от первичных элементов электроды ТЭ не изменяют в ходе разряда свой химический состав и структуру, их назначение — обеспечивать протекание токообразующнх реакций с заданной скоростью, а также служить токоотводами. Активными веществами ТЭ являются, как правило, газообразные нли жидкие восстановители (их принято называть топливом) и окислителя, которые наиболее удобно подавать в зоны электрохнмических реакций.
Разрядное напряжение ТЭ отличается исключительной стабильностъю, а электроды — малой поляризуемостыо. Первоначальная идея топливного элемента, выдвинутая известным физико-химиком В. Оствальдом (1694), заключалась в получении дешевой электроэнергии при чэлектрохимическом сжигании» угля.
Действительно, машинный способ получения электроэнергии по схеме паровой котел †паров турбина †генерат тока и в наше время технически сложен и иедешев. Последовательное превращение химической энергии угля в тепловую, а затем в механическую и в электрическую энервии сопровождается в лучшем случае потерей 60— 70$ исходной энергии топлива, сто лет назад зтн потери превышали 90гв. Получение энергии постоянного тока безмашинным способом непосредственно из угля н кислорода воздуха сулило гигантскую экономию топлива, поскольку на начальном этапе развития ТЭ предполагался КПД превращения АН АЧР, близкий теоретическому.
Исследователи (Е. Баур, О. К. Давтян и др.) на пути к практической реализации процесса С+ Оз = СОз е4юстолкнулись с непреодолимыми трудностями. Выяснилось, что даже при температуре выше 750'С скорости основных реакций невелики, а устранить побочные реакция, дестабилизирующие процесс, невозможно; уголь следует применять только химически чистый, коррозиониая активность расплавленного электролита резко ограничивает срок службы. К середине 1950-х годов от идеи экономичной электрохимичесиой переработки природного топлива приш- нз лось окончательно отказаться.
Однако работы над источниками тоха длительного действия с непрерывной подачей активных веществ, за которыми закрепилось название «топливный элемент», получили новый стимул. Исследование н техническое воплощение в реальной конструкции электродных пар водород †кислор, гидразян †перокс водорода, метанол †кислор и других показало, что подобные источники тока обладают непревзойденным сочетанием высокой удельной энергии со значительной мощностью при непрерывном разряде 1000 †60 ч. Особое значение они приобрели как автономные источники питания для космических н подводных исследований. В частности, топливные батареи позволили успешно реализовать американскую программу полетов на Луну, они же служат блоками питания космических кораблей многоразового использования программы «Шаттл» (США).
В последнее время повысился интерес к мощным Стационарным энергетическим установкам на основе топливных элементов с использованием вторичного топлива, например водорода, получаемого паровой конверсией природного газа или газификацией угля. Прн этом на передний план выдвигаются требования высоких технико-экономических показателей.
Электрохимические системы, применяемые в топливных элементах, отличаются высоким термодинамическим КПД, для некоторых пз инх з),.» 1(ЙЕ/бТ)0). Например, температурный коэффициент ЙЕ/бТ реакций взаимодействия гидразина с пероксндом водорода и метанола с азотной кислотой составляет 0,34 и 1,64 мВ/К, что соответствует значениям п„равным 1,05 и 1,83. Эффективный (фактический) КПД согласно уравнению (1.3) значительно ниже н для лучших образцов ТЭ лежит в пределах 50 — 76гй.
В отличие от традиционных ХИТ разряд батареи топливных элементов невозможен без систем, обеспечивающих ее работоспособность. В состзв электрохпмпческого генератора (ЭХГ) кроме батареи ТЭ входят (схемз 6.1) системы хранения, подготовки н подачи активных веществ, отвода теплоты и продуктов реакций, а также системы автоматического контроля и регулированияпараметров, обеспечивающие управление работой ЭХГ. Поэтому при разработке ЭХГ наряду с электрохимпческнмн проблемами приходится решать проблемы теп- 160 лотехннки, электротехники, пневматики, гидравлика, АСУ и др.
Каждая нз систем может быть достаточно сложюй н материалоемкой. Масса вспомогательного оборудования зависят от устройства и мощности ЭХГ, от выб- Схем а бх. Фуикааеаааьаая схема эаектрехааичесааге геаератора раиной электрохимической системы н условий эксплуатации энергетической установки. Для разработанных ЭХГ, мощностью 1 — 5 кВт масса вспомогательных систем (без учета массы топлива н окнслятеля) приблизительно равна массе батареи элементов. Поэтому реальные удельные электрические характеристики ЭХГ значительно ниже достигнутых па отдельных топливных элементах, комплектующих батарею.
Классификация топливных элементов в зависимости от некоторых отличительных признаков дана в равд. 2.б. ФЛ. Уеновнн протекании зпвитродных процессов В большинстве современных ТЭ в качестве анодиого материала (топлива) применяют газообразный водород; ограниченное применение нашли также жидкие восстаповнтелп — гидразин, метанол, згиленгликоль. Катодиым 161 матерналом (оквслвтелем) часто является атмосферный илв частый газообразный кислород; в отдельных случаях используют жидкий пероксид водорода, а также азотную кислоту. Участие перечвсленных газообразных н жидких веществ в токообразующвх реакциях возможно лишь на электродной поверхности, обладающей электракаталвтической активностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
