1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (811210), страница 61
Текст из файла (страница 61)
6.4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЭ 6,4Л. Влияние температуры и давления Повышение температуры в ТЭ с ИОМ, как и в ТЭ других типов, благоприятно сказывается на характеристиках вследствие улучшения в первую очередь кинетики процесса. Однако в случае применения мембран-- ного электролита нз-за высокого давления паров воды над ИОМ с повышением температуры необходимо повышать и давление рабочих газов во избежание уменьшения парцнального давления кислорода. Это положение иллюстрировано на рис.
6.29, на котором представлены ВАХ ТЭ в зависимости от температуры прн давлении кислорода и водорода О,!5 и 0,3 МПа. Повыше- 316 ние рабочей температуры в водородно-кислородных ТЭ не только приводит к повышению электрических характеристик, но и уменьшает массу системы тсрмостатнровання. На рнс, 6.30 представлены характеристики ТЭ в более широком интервале температур. К сожалению, количество катализатора на электродах не указано.
Наиболее простым способом улучшения характеристик ТЭ с ИОМ является повышение рабочего давления 0,0 0,0 0,75 0,50 0 1,5 5,0 75 5,0 0 й5 5,0 75 Г,л а) 5) Рис. 6.29. Вольт-амперные характеристики ТЭ плошадью 60 смз в зависимости от рабочей температуры. Количество катализатора на аноде 10 ггм', на катоде 20 г/мз с 20% фторопласта. а -р —.р =еда мпа, б †. =р =е,змпа. н, о, " ' н„о., вследствие увеличения как ЭДС в соответствии с уравнением Нернста (дЕ)д!К В=43,6 МВ), так н тока обмана, так как концентрация реагирующих веществ в зоне реакции увеличивается. На рис.
6.3! представлены теоретическое и экспериментальное значения ЭДС ТЭ с ИОМ в широком диапазоне давлений. Видно, что хотя реальная ЭДС примерно на 0,2 В ниже теоретической, угол нактона примерно соответствует теории. Этн исследования провод- лись на ТЭ с ИОМ типа МРФ-26 с рабочей плошадью электродов 25 см'. На рпс. 6.32 показан внешний вид ТЭ, а ца рис. 6.33 его внутреннее устройство. Элемент состоит из двух ез идентичных полусборок — водородной и кис- сд породной, каждая нз ко- Рис. 6,30.
Характеристики ТЗ е,з с ИОМ при различных темпе. ратурах и парциальном павле- з,г нни кислорода 0,3 МПа (6.2!. !М,7, из/ан 317 6,8 о,в од о,в ' о о,г ан ол оа «,о г,г:,х сз су ! г з е',мм Ряс, 6.31. Элсктродвижущая сила ТЭ с ИО5«1 в зависимости от давления водорода и кислорода. l -- теория 2 — зкспернмезп. Рис. 6.32. Топливный зле- мент с ИО84 в сборе. эяяк! 0,25 005 Рис. 6.33 Устройство ТЗ у — обрезиненные полусборкн; 2 — така. спемнлкн; Э вЂ” понообменнея мембрвле: 4 — токоотвол; 5 — изолирующие плесзнпы, 6 — силовые крыщкн.
318 торых собирается из штампованной стальной крышки А обрезиненной по краю, н токосъемника 2 из пирографитизированной угольной ткани. Платиновая чернь 10 г)мг наносилась на ИОМ 3 и, кроме того, на катодный токосъсмник наносился дополнительный слой катализатора 40 г/мг с фторопластовым связующим. Съем тока осуществлялся с металлических шнн 4, изолированных текстолнтовымп пластинами 5 от силовых крышек б. На рис. 6.64 представлены ВАХ ТЭ в диапазоне давлений водорода н кислорода 0,15 — 5,1 МПа !давление водорода и кислорода поддерживалось одинаковым). В области линейных участков ВАХ ТЭ д1У)д!др=90 мВ из которых 2,3 гсТ~пГ=ЗО мВ приходятся на обратимый водородный, а 60 м — на кислородный электроды. В [6.19) представлены результаты исследования ТЭ с ИОМ, пропитанными раствором 3 н.
Н250, при различных температурах и давлениях (диапазон изменения ! Рис, 6.34. Вольт-амперпые характеристики ТЭ пло. щадью 25 см' при различных давлениях водорода и кислорода. ! — О.вб Мнвс г — Об Мпе, Э— ! ! МПвс 4 — 2! МПл; 5— 8,! МПес 6 — 4.! МПе, 7— ол Мпв. давления 0,1 — 7,0 МПа). Найденное там значение д1/1д19р составляет более 150 мВ, что, по всей видимости, свидетельствует о диффузионных затруднениях в протекающих электродных реакциях. На рис.
6.35 прсдставлены ВАХ ТЭ плошадью 50 см' в зависимости от давления при различных температурах при наиболее часто используемых давлениях (Рог= Рнг) . Л. Нидрахом предлагается эмпирическое соотношение (без учета омических потерь) — „, =2,9 !О'(1,05 — Г)'"е где г' — плотность тока, А 'см', гг — парциальное даво, ление,~МПа. 0 «0 Рис. 6.35. Вольт-ампериые характеристики ТЭ площадью 50 см' при различных давлениях водорода и кислорода. Спревл — земперетуре ге'С, и =22.
!О-' ом; слева — темп«ретурз 85'С: ,-!з во- ом 320 Рпс. 6.36, Батарея ТЭ системы водо- род — воздух. 6,4аь Испопьзованне воздуха в качестве окнспнтепв Лля ТЭ с катионоооменными мембранами представляет интерес использование в качестве окислителя кислорода воздуха. Этот интерес обусловлен простотой конструкции ТЭ и отсутствием карбонязацпи электролита углскнслым газом, находящимся в воздухе.
Особенности работы воздушного катода по сравнению с кислородным обусловлены в основном тремя моментами; 1) парциальное лавлсние кислорода в воздухе прп нормальных условиях составляет примерно 20 кПа; 2) в зону реакции вместе с кислородом поступают блокирующие инертные примеси (в основном азот), что приводит к дальнейшему снижению парциального давления кислорода в зоне реакции; 3) вследствие более высокого давления паров воды нал мембраной, чем давление паров воды в окружаюгцсм воздухе, происходит непрерывный отвод воды в паровой фазе.
В соответствии с результатами, изложенными в предыдущем параграфе, понижение давления кислорода с 100 до 20 кПа должно приводить к снижению напряжения примерно на 1О мВ при той же плотности тока, однако возникающие при этом диффузионные потери в подложке электродов приводят к более сильному падению напряжения. ! Рнс. 6.37. Зависимость напряженка батареи от размера воздунгкого канада Ь, Раоочак плошадь ТЭ 26 см', часло по.
следоватезьпьж ТЭ 20; темпе. ратура окрузкающего воздуха комнатная, В 16,20) исследовано влияние рвали щых структурных ', факторов воздушных электродов па характеристики ТЭ. В связи с тем что для конкретных электродов учет их связан с сюльшимп трудностями, а в электролах ТЭ с ИОМ появляется дополнительный фактор — вода в подложке, представляется целесообразным перейти к обсуждению экспериментальных данных. Принудитель- з,з ь-г,ч ный вьщос азота из воздушпых каналов можно осуществить или с помощью спе- к ума. цнальной воздуходувки, илн щ Х ' ' ! за счет естественной конвекцнп, возникающей в результате собственного тепловы- 'з агу амгд деления В источниках тжа малой мощности использование воздуходувки приводят к усложнению системы, поэтому рассмотрим случай с естественной конвекцисй.
Исследования проводилпсь нн батарее ТЭ, состоящей пз 20 последовательно соединенных ТЭ с рабочей плошадью 25 см' (5 Х 5 см) каждый. Элемент аналогичен по конструкции представченному на рис. 6.33, в котором вместо кислородного полукорпуса расположена дистапционирующая решетка с металлическими ребрами высотой Ь.
На рис. 6.36 показан общий впд батареи. Вольт-ампсрная характеристика этой батареи в зависимости от воздушного зазора прп естественной конвскцпи представлена ца рнс. 6.37. Видно, что зазор 2,4 мм обеспечивает удовлетворительные характсрпстикп. Нанболсс сложным вопросом нрн разработке водородно-возд)шиых батарей с ИОМ является сохранение ес влажности во время эксплуатации и хранения, так ьак проводимость мемораны прн ее дегидратации существенно снижается.
В качестве иллюстрации приведены данные по динамике нзмепения проводилтостн ИОМ при нахождении ее на воздухе (рис, 6.38). Олсловательпо, процессы тепломассообмепа должны быть организованы таким образом, чтобы количество отводимой через паровую фазу воды в каждой точке Вз 321 электрода было меньше, чем ее образуется в результате электрохпмической реакции при всех условиях эксплуатации (изменение тока нагрузки, температуры, давления и влажности окружающего воздуха). Жидкая вода можст быть отведена самотеком, с помо)цыо фитилей или другими способами.
Следует иметь в виду, !00 )ба иа па =„100 "м л ба ! =00 'га (и 0 !! )О 0! 00 тх 00*к За ба 00 с,маа Рис. 6.39. Изменение иапркжеипк батареи в зависимости от положсипв Воздлши,)х каналов относительно горизонтальной оск !и). /=0,5 А, температура окрул(ашп(сто воздуха комкатиав. Рис. 6.38. Отиосптельное измекеппе сопротпвлспик мембраны от времени иахождевпк ее ка воздухе.
Темаература кочиатпая, что плохая организация отвода .Кидкой воды может привести к закупорке ш>здуигных каналов и резкому ухудшению выноса азота. Для облегчения процесса стекання воды мы, как правило, проводили п)дрофобнзаппю элементов конструкции, образую)цпх иоздушныс каналы. /(ля псе)(едовапия алия>шя расхода воздуха на характеристики битирсп прок(водились и)мс(ишия положения воздушных канз:па,ю абютаа мап р б, а >а„' '0 ЛОВ ОТНОСИ!'СЛ! НО ГОРИЗОН- тальной плоскости (угол а).
ю Полу)енные результаты. представленные на рис, 6.39, показывают. Ио при высоте воздушного канала 2,4 мм >паса ! .' ' ~ даже )исто диффузионпь) й режим (О=О) ис приводит к существенному ухудшению (с///0.0 с'г )лектрическпх характеристик. При горизонталыиса расположении каналов предельно допустимая темпер (- тура окружаюцсего во)духа составила примерно 50'С мюбр Рис.
6.40. Пронесся в ТВ с (оризоитальпымп возд)пп)ыма каиалзма в заввсимостп от соотношения размеров. ! сппти температура тз ппстпап- ааа 322 (температУРа внУтРи батаРеи 60 — 65'С) в как прп вертикальном положении уже при температуре окружающего воздуха 25'С начинается пересушив центральных ТЭ и выход батареи из строя. С учетом этих явлений для батарей малой мощности наиболее целесообразным является горизонтальное располо кение воздушных каналов, 'г',ачествснная ка тина в ' с горизоитальнывш каналами представлена иа ис. 6 4> р .. 6.40 для случая, когда темисратура ТЭ постоянна. По оси ординат отложено отношение полудлипы воздушного канали к его площади 1)!. (хривая 1 показывает изьшнсние расхода испаряющейся км)вая 2 — пап я .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
