Технический прогресс и экономика (стр. 2 )

В большинстве известных разработок («Elenco», «Siemens», «Квант», «ИПТ») осуществляется циркуляция электролита через элементы при помощи щелочного насоса. В другом варианте иммобильный электролит пропитывает матрицу, расположенную между электродами (УЭХК, «United Technologies»), при этом пластина электролитного резервуара служит буфером КОН [9, 11].

Батарея ТЭ

Батарея состоит из последовательно или параллельно соединённых модулей различной мощности (100 - 500 Вт). Токосъём в модулях осуществляется или с концевых коллекторов в случае монополярных электродов, или с применением биполярной конструкции. Каждый из этих конструктивных вариантов имеет свои преимущества и недостатки, характерные не только для батарей со ЩЭ. Мощность разработанных в настоящее время ЭХГ со ЩЭ составляет от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт.

Конструкционные материалы должны сохранять химическую стабильность в присутствии КОН, КОН + Нг, КОН + О2 (воздух) и быть термически устойчивыми при рабочих и локальных пиковых температурах. Они должны обладать соответствующими электрическими свойствами и быть пригодными для массового производства с целью создания батарей с оптимальными весо-габаритными характеристиками. Указанные требования существенно ограничивают выбор подходящих материалов. Из металлов это никель, а, в основном, используются пластмассы ~ полисульфон, ABS (акрило-нитрил бутадиен стирол) и PPS, по ряду параметров превосходящий полисульфон и ABS[3].

Системы ЭХГ со ЩЭ

ЭХГ помимо собственно батареи ТЭ, включает следующие системы, обеспечивающие её эффективное функционирование [7].

Система подачи и продувки водорода и инертного газа предусматривает очистку циркулирующего водорода от нежелательных примесей, влияющих на активность катализаторов.

Система подготовки воздуха, включая очистку от пыли и СОг. В известных системах очистки воздуха в качестве сорбентов использовались гидроокиси щелочных металлов (LiOH, КОН, NaOH). Основной недостаток этих устройств — периодичность действия. После выработки ресурса в составе ЭУ они заменяются, что усложняет эксплуатацию установки и увеличивает объем работ по их обслуживанию.

В России впервые в мировой практике разработан регенеративный скруббер непрерывного действия, не требующий замены контейнеров с сорбентом [6].

Принципиально скруббер состоит из двух адсорберов (рис. 1). В то время как в одном адсорбере углекислый газ, содержащийся в воздухе, подаваемом в батарею ТЭ

27

на реакцию, сорбируется гранулированным поглотителем, во втором адсорбере ранее поглощённый углекислый газ десорбируется в подогретый воздух, выходящий из батареи ТЭ и выбрасываемый в атмосферу. Периодически направление потоков воздуха в скруббере меняется, обеспечивая, таким образом, непрерывность его очистки от углекислого газа. Переход от сорбции к десорбции углекислого газа определяется температурой и влагосодержанием воздуха.

Рис. 1. Регенеративный скруббер.

Система термо - и влагорегулирования, вклющая контур циркуляции электро­лита. Способ удаления воды из батареи с целью поддержания заданной концентрации электролита зависит от типа электродов.

Выделяющееся при работе во дородно-кислородных ТЭ тепло обычно удаляется потоком циркулирующего электролита. В случае во дородно-воздушных ЭХГ тепло отводится двумя путями - через воздушный и электролитный контур.

Система контроля и управления в автоматическом режиме обеспечивает постоянный мониторинг рабочих параметров ЭХГ, запуск и останов ЭХГ, предусматривает защиту в случае возникновения нештатных и аварийных ситуаций.

Конкретная реализация перечисленных систем зависит от рабочих условий - температура, давления, применяемых электродов, конструкции батареи, назначения ЭХГ и других факторов. Отдельные компоненты систем могут быть коммерческими продуктами, .другие необходимо специально конструировать и изготавливать.

Для сравнения различных ЭХГ используются их удельные характеристики - удельная весовая мощность кВт/кг и удельная объёмная мощность кВт/л. Эти параметры включают вклад собственно батареи ТЭ и перечисленных вспомогательных систем. Параметры батареи зависят от характеристик электродов, природы окислителя (кислород, воздух), чистоты реагентов, рабочих температуры и давления, концентрации электролита. Удельные характеристики батареи не меняются в различных конструкциях, а параметры вспомогательных систем зависят от мощности ЭХГ. Нередко вспомогательные системы требуют значительных энергозатрат (до 10 % мощности ЭХГ) и вносят заметный вклад в общую стоимость ЭХГ. Это относится, прежде всего, к установкам небольшой мощности.

Зависимость характеристик ЭХГ от применяемых реагентов и условий работы

Окислитель. Некоторые ЭХГ со ЩЭ разрабатывались в расчёте на использование кислорода (УЭХК, «Квант», «Siemens»), в других применялся воздух («Elenco», «ИПТ»). При переходе на кислород мощность во дородно-воздушных ЭХГ «Elenco» без какой-либо модернизации возрастает в 1,5 раза [3]. В то же время при использовании  воздуха  вместо  кислорода  требуется  существенная  модификация

28

системы, поскольку воздух содержит значительное количество инертного газа (азот) и некоторые примеси, прежде всего СОг, которые необходимо удалить. Применение воздуха или кислорода определяется назначением ЭХГ. Кислород используется в ЭХГ космического и специального назначения (подводные лодки), тогда как во многих других случаях, в частности, в ЭХГ для электротранспорта применяется воздух.

Давление. Увеличение давления оказывает положительное влияние на характеристики ТЭ, поэтому ряд ЭХГ, например, «Фотон» УЭХК, работают при повышенном давлении. Это позволяет создавать конструкции с высокими удельными характеристиками, что особенно важно при использовании ЭХГ в космосе. Однако при этом конструкция ЭХГ усложняется и повышается его стоимость. Перепад давления газ/электролит определяется типом электрода, при этом недопустимо попадание газовых реагентов в электролит. Это приводит к увеличению внутреннего сопротивления и снижению характеристик ТЭ, а также потенциальной возможности образования взрывоопасной смеси в электролитном контуре.

Температура. Характеристики ТЭ линейно возрастают при изменении температуры от 20° С до 50 - 60° С. При увеличении её до 70° С мощность увеличи­вается ~в2 раза. Для генераторов «Elenco», работающих на воздухе при атмосферном давлении, определены оптимальные условия работы - 6 - 7 N КОН и 70 - 80° С [3]. При таких условиях работают и ряд других ЭХГ со ЩЭ («Квант», «Siemens», «ИПТ»).

Ресурс ЭХГ. Срок службы в основном определяется стабильностью параметров электродов и в значительной мере зависит от мощности и условий эксплуатации (ток, напряжение, температура, количество пусков-остановок). Следует отметить, что общая деградация электрических характеристик в значительной степени определяется увеличением поляризации кислородных (воздушных) электродов. Сравнение реального ресурса ЭХГ различных фирм затруднено из-за различных условий испытаний. Для ЭХГ широкого применения целью является ресурс 40000 часов. Водородно-кислородные ЭХГ. «Квант» и во дородно-воздушные ЭХГ «Elenco» проработали не менее 5000 часов при скорости деградации не более 20 мкВ/ч [3, 4].

Энергоустановки на основе ТЭ со ЩЭ

НПП «Квант». Впервые в нашей стране с опережением иностранных проектов были разработаны,' изготовлены и успешно испытаны водородно-кислородные ЭУ Э-280 мощностью 280 кВт в составе подводной лодки (1989 г.) и Э-130, мощностью 130 кВт в составе наземного прототипа ЭУ подводной лодки (1990 г.) [4].

Рис. 2. Комбинированная ЭУ НПП «Квант».

29

Автономная модульная комбинированная ЭУ мощностью 6 кВт (рис. 2) включала солнечную батарею, аккумуляторную батарею, электролизёр высокого давления, систему хранения водорода и кислорода, ЭХГ, систему управления [14]. Для ЭУ был разработан ЭХГ мощностью 1 кВт при напряжении 60 В, в котором впервые для такого уровня выходной мощности был реализован принцип саморазделения электролита и реакционной воды, поступавшей затем в электролизёр.

Совместно с венгерскими партнёрами разработан рабочий проект городского электробуса с водородно-воздушной ЭУ (рис. 3) [15]. Мощность ЭУ-40 кВт, номиналь­ное напряжение - 114 В, КПД - 55 %.

Особенностью ЭУ является совмещение системы терморегулирования ЭХГ и системы отопления электробуса. Избыточное тепло в количестве до 16 кВт способствует значительному повышению реального КПД ЭУ в холодное время года.

Батарея ТЭ

Гидропривод/насос

Гидроаккумулятор

Рис. 3. Электробус НПП «Квант».

Применение ЭХГ с бортовым хранением водорода в газообразном состоянии при давлении 200 атм. обеспечивает получение удельной энергоёмкости более 150 Вт-ч/кг, что позволяет достичь дальности пробега ~ 200 км. Следует отметить, что этот проект был выполнен на 10 лет раньше аналогичных зарубежных разработок, получивших в настоящее время широкое распространение.

УЭХК. ЭХГ «Фотон» на основе во дородно-кислородных ТЭ с щелочным матричным электролитом (рис. 4) разработан для многоразового пилотируемого косми­ческого корабля «Буран» [16]. Номинальная мощность ЭХГ — 10 кВт с возможностью перегрузки до 15 кВт, ресурс - 2000 часов. ЭХГ «Фотон» прошёл квалификационные испытания на космической экспериментальной базе Европейского космического агентства в Нордвике (Голландия). По заключению западноевропейских экспертов, «Фотон» по ряду параметров превосходит ЭХГ, установленный на американском космическом корабле «Шаттл».

Рис.4. ЭХГ.

Рис. 5. Электромобиль «Лада Антэл».

30

На УЭХК проведены работы по созданию во дородно-воздушного ЭХГ для электромобиля с использованием усовершенствованного «Фотона» [17].

Модифицированный ЭХГ «Фотон» мощностью 25 кВт был установлен на экспериментальном электромобиле «Лада АНТЭЛ-2» на базе универсала ВАЗ 2111 (рис. 5). АНТЭЛ успешно прошёл ходовые испытания и демонстрировался на 6-м Московском международном автосалоне в 2004 г. [18].