книги из ГПНТБ / Коровин, Н. В. Электрохимические генераторы

лось давление, равное внешнему давлению; ЭХГ обес­ печивал энергией насосы для очистки и циркуляции воз­ духа и ламп фотоаппаратов; ЭХГ работал 9 дней без промежуточных заправок реагентами при мощности 25—

работал на берегу, обеспечивая подзарядку аккумулято­ ров, освещение и другие потребности.

Шведская фирма АСЕА [Л. 48, 147] разрабатывает ЭХГ мощностью 200 кВт для подводной лодки, по кон­ тракту со шведским военно-морским флотом на сумму около 2 млн. долл. Кроме того, планировалась примерно такая же сумма за счет бюджета фирмы. В состав ЭХГ входит батарея водородно-кислородных ТЭ. Кислород хранится в сжиженном виде. Водород либо хранится в сжиженном состоянии, либо получается разложением аммиака. При использовании аммиака возникает про­ блема хранения газообразного продукта реакции—азота. Фирма АСЕА конденсирует азот с помощью холодиль­ ной установки.

Имеются проекты ЭХГ для флота и подводных иссле­ дований с использованием гидразина. Достоинством гид­ разина по сравнению с водородом является простота его хранения, так как он находится в жидком состоянии и не требует тяжелой тары. Однако гидразин значительно дороже водорода.

Фирма Аллис Чалмерс разработала и испытала гид­ разино-кислородный ЭХГ мощностью 750 Вт на неболь­ шой подводной лодке [Л. 148].

Для использования во флоте очень перспективны раз­ работанные фирмой Альстом (Франция) гидразино-пе- рекисьводородные ЭХГ [Л. 96]. Достоинством этой систе­ мы также является возможность хранения реагентов в жидком состоянии при обычных температурах. В мае 1970 г. проводилось несколько погружений ЭХГ в море на глубину до 82 м. Масса системы была 75 кг. Ток в ЭХГ получали через несколько секунд после включе­ ния. Напряжение ЭХГ возрастало от 24 В на поверхно­ сти до 28 В на глубине 50’ м. Мощность, отбираемая от ЭХГ, была 1,75—2,0 кВт. Расход реагентов (гидразингидрата и 35%-ной перекиси водорода) был достаточно высок 4,5 л/ (кВт ■ч); такой высокий расход свидетель­ ствует о низком значении фарадеевского к. п. д.

18 0

Фирма совершенствует ЭХГ для подводного флота, которые будут на земле иметь следующие характери­ стики:

Ресурс этого ЭХГ несколько сотен часов. Стоимость энергии при использовании гидразина и перекиси водо­ рода 2,5 долл/(кВт • ч). Расчеты показывают, что при замене батареи аккумуляторов в установках, предназна­

веденные цифры однако имеют ориентировочный харак­ тер, так как испытания ЭХГ в таких условиях не про­ водились.

Фирмы Локхид и Монсанто также ведут разработку энергетической установки на основе гидразино-перекись- водородного ЭХГ для снабжения электроэнергией под водой [Л. 149]. Установка при номинальной мощности 10 кВт и максимальной мощности 20 кВт должна выра­ батывать 16,5 кВт-ч электроэнергии и иметь массу

225 кг и объем 0,54 м3.

39. Электрохимические генераторы для транспортных и передвижных установок

Двигатели внутреннего сгорания, применяемые на транспортных и передвижных установках, имеют сущест­ венные недостатки: низкий к. п. д., загрязняют воздух, имеют высокий уровень шума и другие. Эти недостатки особенно неприятны в городских условиях; к. п. д. дви­ гателя внутреннего сгорания в городе существенно сни­ жается из-за ограниченной скорости, частых остановок и переменных нагрузок.

181

грязнениями атмосферы выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Имеется несколько путей решения этой проблемы. Наиболее перспективным из них являет­ ся создание электромобилей. Одним из возможных источ­ ников тока на электромобилях могут быть ЭХГ, они име­ ют более высокий, чем двигатели внутреннего сгорания, к. п. д., практически бесшумны, не дают вредных вы­ бросов. Электромобиль более прост по устройству и экс­ плуатации. Так, электромобиль не имеет коробки ско­ ростей и стартера, а при нескольких двигателях и диф­ ференциала. Применение электромобиля особенно выгодно в городе, где из-за частых остановок транспорт работает на холостом ходу или при малой мощности, т. е. в режи­ ме высокого к. п. д. ТЭ. Перспективны также ЭХГ там, где безвредность и бесшумность имеет важное значение, например для подземного транспорта. Для оценки перс­ пективности ЭХГ на транспорте необходимо сравнить их характеристики с характеристиками двигателей внутрен­ него сгорания. В табл. 20 приведены удельные характе­ ристики двигателей внутреннего сгорания [Л. 150—-153]. Сравнение табл. 18 и 20 показывает, что удельная мощ­ ность автомобильных двигателей превосходит удельную мощность ЭХГ. Удельная мощность двигателей пере­ движных электростанций и дизель-генераторов локомо­ тивов соизмерима с удельной мощностью ЭХГ. Удельная энергия, отбираемая от двигателя внутреннего сгорания, соизмерима с удельной энергией, которую можно полу­ чить в ЭХГ при использовании углеводородов.

182

Существенными недостатками ЭХГ является их отно­ сительно высокая стоимость и относительно высокая це­ на вырабатываемой энергии. Ввиду отсутствия произ­ водства ЭХГ не представляется возможным определить точную стоимость ЭХГ. Однако оценки (см. табл. 19) показывают, что стоимость ЭХГ выше стоимости бензи­ новых и дизельных двигателей.

Цена вырабатываемой энергии в значительной степе­ ни определяется ценой используемых реагентов. Как вид­ но из табл. 5, стоимость единицы количества электриче­ ства, теоретически вырабатываемого из различных видов топлива, различается на три порядка. Наиболее дешевы­ ми видами топлива являются природный газ, пропан и жидкие углеводороды. Более дорогими — метанол и ам­ миак. В [Л. 153] было проведено сравнение топливной

с предварительной конверсией или разложением топли­ ва и соответствующие его потери. Результаты расчета приведены в табл. 21.

Как видно, удельная стоимость углеводородов в ЭХГ соизмерима с удельной стоимостью топлива в дизельных установках и ниже удельной стоимости топлива в бензи­

Показатели, топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания и ЭХГ

133

лях. Хотя оценки удельной стоимости топлива для ЭХГ имеют ориентировочный характер из-за отсутствия экс­ периментальных данных о стоимости и работе передвиж­ ных конверсионных установок, однако уточнение не при­ ведет к существенному изменению соотношения стоимо­

с использованием аммиака, метанола и жидких углево­ дородов могут найти широкое применение па транспорт­ ных и передвижных энергоустановках. Поэтому ведутся работы по созданию электромобилей с электрохимиче­ скими генераторами.

Фирма Дженерал Моторе создала электромобиль «Электронам» с водородно-кислородным ЭХГ фирмы Юнион Карбайд [Л. 58]; ЭХГ работает на жидком водо­ роде и кислороде. Система энергопитания была описана ранее. Номинальная мощность ЭХГ 32 кВт, максималь­ ная мощность 96 кВт, напряжение 460—260 В, общая масса энергоустановки 1 480 кг, к. п. д. 44—50%• «Элек-

то более перспективна комбинированная система ЭХГ — батарея аккумуляторов. В этом случае при максималь­ ной мощности аккумулятор работает в режиме разряда, при минимальной мощности — в режиме заряда от ЭХГ. Кроме того, заряд аккумулятора можно производить при торможении электромобиля путем переключения элек­ тродвигателя иа режим генератора, это повысит к. п. д. всей энергоустановки.

К. Кордеш установил водородно-воздушный ЭХГ на обычный легковой автомобиль [Л. 55]. Энергетическая установка состоит из водородно-воздушного ЭХГ номи­ нальной мощности 6 кВт и батареи свинцовых аккумуля­ торов с емкостью 33 кВт-ч. Общая мощность установки: номинальная 5—8 кВт, максимальная 20 кВт; ЭХГ име­ ет массу 116 кг или 25 кг/кВт и 200 Вт-ч/кг. Батарея

184

армейского грузовика [Л. 94]. Батарея ТЭ имеет массу 310 кг, объем 245 л, общая масса электроустановки 490 кг, к. и. д. 45%. Электромобиль может развивать ско­ рость до 90 км/ч.

К. Кордеш [Л. 85] оборудовал па мотоцикле комп­ лексный источник тока, состоящий из гидразино-воздуш­ ного ЭХГ мощностью 0,8 кВт с массой 8 кг и батареи инкель-кадмиевых аккумуляторов с массой 10 кг. Пико­ вая мощность ЭХГ и батареи аккумуляторов 2 кВт. Но­ минальная скорость 60 км/ч при потреблении гидразингидрата 1,5 кг на 100 км пути. Воздух предварительно очищается от С 02 при помощи гранулированного NaOH. Хотя проведенные исследования и испытания показали возможность создания электромобиля с ЭХГ, однако не­ обходимо решить ряд проблем прежде, чем ЭХГ найдут широкое применение на транспорте. По сравнению с дви­ гателями внутреннего сгорания ЭХГ имеют более высо­ кую массу на единицу мощности п требуют более высо­ ких капитальных затрат. Кроме того, стоимость элек­ трической энергии, получаемой в ЭХГ с использованием водорода и гидразина, значительно выше стоимости энер­ гии, получаемой в двигателях внутреннего сгорания, по­ этому ЭХГ в электромобилях могут найти широкое при­ менение лишь в случае, когда они будут работать на жидком углеводородном топливе.

Г. Фрейзингер [Л. 154] рассмотрел требования, предъ­ являемые к армейским машинам при эксплуатации их в течение 24 суток. Лучшей, по его мнению, является гибридная система из ЭХГ на основе ТЭ с расплавлен­ ным карбонатным электролитом и из батареи аккумуля­ торов высокой удельной энергии (например, Na—S нли Li—CL); ЭХГ должен иметь удельную мощность не ни­

мало отличаются от характеристик дизель-генераторов тепловозов и _ передвижных электростанций, поэтому разработка ЭХГ для маневровых и промышленных локо-

185

Мотивов и передвижных электростанций представляется весьма перспективной. Большой интерес также представ­ ляет разработка ЭХГ для электрокар и автономных подъемников. Уже разработано и испытано несколько подъемников с ЭХГ: гидразино-воздушным на 40 кВт [Л. 94] и гидразино-кислородным на 6 кВт [Л. 7].

40. Источники тока для связи, радио и телевидения, сигнальных и метеорологических устройств

Широкое применение ЭХГ могут найти в качестве источников тока в установках связи, на радиостанциях, ретрансляционных телевизионных станциях, сигнальных устройствах (маяках, буях и др.), метеорологических станциях, изолированных автоматических станциях изме­ рения и т. п., так как по сравнению с гальваническими элементами и аккумуляторами они имеют более высокие удельные энергии. Стоимость электроэнергии, получае­ мой в ЭХГ, к тому же .ниже стоимости энергии, получае­ мой в гальванических элементах (см. табл. 18). Какправило, такие источники должны иметь небольшую мощ­ ность (ниже 1 кВт), быть компактными, портативными. Поэтому ЭХГ должен иметь очень простые вспомога­ тельные системы с малыми массой и объемом.

Удобными для переносных установок являются ЭХГ с использованием жидкого топлива и воздуха. Большой интерес в связи с этим имеют гидразино-воздушные ЭХГ. Расчеты показывают, что стоимость энергии, полу­

стью энергии в серебряно-цинковых аккумуляторах. На­

ЭХГ можно получить энергию, превышающую на поря­ док энергию в гальванических элементах и аккумулято­ рах. Это достоинство проявляется лишь при времени работы ЭХГ более 5— 10 ч. Одной из первых (по заказу армии) разработала портативные ЭХГ фирма Дженерал Электрик (США). В ЭХГ использовались батареи водо­ родно-воздушных элементов с ионообменными мембра­ нами. Источником водорода служил гидрит лития или

186

боргидрид натрия. Были разработаны ЭХГ мощностью 30, 60 и 200 Вт с удельными характеристиками 70— 100 кг/кВт [Л. 19].

Фирма Монсанто разработала для армии США гид­ разино-воздушный ЭХГ мощностью 60 Вт с напряжени­ ем 28 В [Л. 92, 93]. Масса ЭХГ 6, 6 кг, объем 9,5 л. За 12 ч работы расходуется 0,4 кг гидразина. О разработке гидразино-воздушных ЭХГ малой мощности (35—50 Вт) сообщила также американская фирма Аллис Чалмерс. Батарея с номинальной мощностью 35 Вт и максималь­ ной мощностью 80 Вт имеет массу 8,5 кг и объем 13 л.

Мощность на собственные нужды составляет 73 Вт, втом числе 25 Вт — мощность насоса, 17 Вт — мощность вен­ тиляторов и 30 Вт — контрольная аппаратура. Потери мощности на токи утечки составляют 33 Вт.

Для устройств, имеющих кратковременные пиковые нагрузки, целесообразно использование комбинирован­ ных систем ЭХГ — батарея аккумуляторов. Пики будут сниматься аккумуляторами, которые затем будут заря­ жаться от ЭХГ при малых нагрузках. Такие системы бы­ ли испытаны К- Кордешом с сотрудниками.

С целью упрощения источника тока К. Кордеш пред­ ложил гидразино-воздушные ТЭ заливного типа. В та­ ких ТЭ после расхода гидразина раствор электролита выливается, вместо него заливается новая порция рас­ твора электролита и гидразина. Батарея в этом слу­ чае имеет очень простое устройство, так как отпадает необходимость в системах подачи гидразина и отво­ да воды.

Более дешевым жидким топливом является метанол. Однако для окисления метанола необходимы катализа­ торы на основе платиновых металлов. Кроме того, при использовании метанола в ТЭ со щелочными электро­ литами расходуется щелочь вследствие ее карбонизации. Тем не менее, батареи метанольных ТЭ небольшой мощ­ ности уже находят применение как источники тока в ра­ диоаппаратуре, телевизионных подстанциях и сигналь­

187

ных устройствах. Батареи метанольно-воздушных эле­ ментов фирмы Браун Бовери (Швейцария), разработан­ ные совместно е В. Фильштихом [Л. 7, 104], несколько лет работали на морских и речных бакенах и буях. Батареи мощностью 30 Вт, напряжением 6 В работали 15 мес. на р. Мозеле без обслуживания. При этом полу­ чена удельная энергия 250—300 Вт-ч/кг. Суммарный запас энергии 180 кВт-ч.

Батарея ТЭ, в которой топливом служит смесь мета­ нола и муравьиной кислоты, используется в качестве источника энергии на телевизионной подстанции в горах Швейцарии [Л. 104, 130]. Мощность батареи 20—40 Вт, энергоемкость 170 кВт-ч, батарея проработала 6 мес. без обслуживания.

Метанольные ЭХГ найдут широкое применение, если будут предложены недорогие неплатиновые катализато­ ры, обеспечивающие полное окисление метанола (6 элек­ тронов на молекулу), в этом случае снизится стоимость ЭХГ и повысится удельная энергия на единицу массы реагента.

В качестве топлива для ЭХГ также может быть использована муравьиная кислота. Так, В. Фнлыитих с сотрудниками [Л. 104] предложил батареи формиатновоздушных ТЭ емкостью 260 Вт-ч для длительно рабо­ тающих транзисторов (30 дней и более). Удельная энер­ гия при однократном использовании составляет 111 ВтХ Хч/кг и 140 Вт-ч/л, при 10-кратной заливке реагентов соответственно 151 Вт-ч/кг и 220 Вт-ч/л.

Кроме батареи с жидкими реагентами, предложены также ЭХГ малой мощности с газообразными реагента­ ми. Так, водородно-кислородный ЭХГ работает на теле­ визионной станции Дольштейн с 1967 г. [Л. 130]. Водо­ родно-кислородный ЭХГ фирмы Варта мощностью 100 Вт и напряжением 12 В работал на телевизионной ретрансляционной станции в Таунас 3 мес. без обслужи­ вания. Разрабатывается компактный ЭХГ для этой цели с удельными характеристиками 25 кг/кВт и 20 л/кВт

[Л. 135].

Французская фирма Томсон-Хыостон разработала водородно-кислородные ЭХГ на основе ТЭ с ионообмен­ ной мембраной для питания радиоаппаратуры телевизи­ онных подстанций, бакенов и метеостанций; ЭХГ мощ­ ностью 50— 140 Вт имеет массу 7 кг [Л. 134]. Водород и кислород хранятся в баллонах из стекловолокна. Кроме

188

того, фирма разработала водородно-воздушные ЭХГ

ных ТЭ для навигационных бакенов и буев. Буи мощно­ стью около 10 Вт потребляют энергии около 12 кВт-ч в год. Для бакенов необходима мощность около 60 Вт при работе 14 ч в сутки. Как показали испытания и рас­ четы, водородно-кислородный ЭХГ для буев может рабо­ тать 3 года без обслуживания; масса всей системы со­ ставляет 400 кг, в том числе 345 кг масса реагентов. Масса батареи свинцовых аккумуляторов составляет на 3 года .работы соответственно 1 100 кг, т. е. в 3 раза больше. Батарея для бакенов может работать полгода без обслуживания.

Как видим, предложено много вариантов ЭХГ малой мощности, пригодных для использования в различных

что удельная энергия, получаемая в ЭХГ, выше, а стои­ мость ее ниже, чем в гальванических элементах, то ЭХГ малой мощности в недалеком будущем могут найти при­ менение и для гражданских целей.

Представляется, например, весьма перспективным

41. Другие области применения ЭХГ

Кроме рассмотренных ранее областей применения ТЭ и ЭХГ изучаются и обсуждаются также другие возмож­ ности их использования.

а) Электрохимические генераторы для энергоснабжения зданий

Как показывают расчеты, передача природного газа на большие расстояния экономически выгоднее передачи электроэнергии. Поэтому представляет большой интерес

189