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

ТЭ. так как гидравлическое сопротивление ТЭ будет в основном обусловлено сопротивлением в капиллярах. Если капилляры одинаковы, то одинаково и пх сопро­ тивление, соответственно одинакова скорость подачи электролита.

Выходное напряжение и мощность ТЭ могут быть также снижены при наличии псренолюсовкп в батарее ТЭ. Под иереполюсовкоп ТЭ понимается изменение зна­ ка заряда его электродов, т. е. при перенолюсовке он

Переполюсовка может возникнуть в батарее при по­ следовательном соединении ТЭ и может быть вызвана следующими причинами: а) наличием токов утечки; б) снижением скорости подачи пли полным прекраще­ нием подачи реагента к электроду; в) резким ухудше­ нием электрохимической активности электрода.

Из-за наличия токов утечки п переполюсовок выход­ ное напряжение батареи ТЭ не равно сумме иіапряжснип, которое бы имели ТЭ при работе вне батареи. По­ этому реальное напряжение ТЭ в батарее из п последо­ вательно соединенных ТЭ равно:

где Sr — геометрическая поверхность одного электрода в ТЭ; п — общее число ТЭ в батарее.

Таким образом, мощность батареи ТЭ может быть увеличена путем повышения плотности мощности от-

60

дельных ТЭ н увеличения общей .поверхности электро­ дов в 'батарее.

Объем батареи ТЭ па единицу мощности равен:

Масса батареи ТЭ на единицу мощности равна:

Как видно, объем батареи ТЭ на единицу мощности может быть снижен уменьшением толщины отдельных ТЭ и доли вспомогательного объема батареи и увеличе­ нием эффективной плотности мощности ТЭ, уменьшени­ ем потерь на токи утечки. Массу батареи на единицу мощности соответственно можно снизить уменьшением объема па единицу мощности и применением материа­ лов малой плотности. Масса н объем па единицу мощ­ ности разработанных батарей ТЭ лежат в пределах со­ ответственно 5 — 40 кг/кВт п 1—30 л/кВт.

Из-за наличия переполюсовок и утечек к. и. д. бата­ реи ТЭ может быть ниже к. н. д., рассчитанного для ТЭ при его работе вне батареи. Снижение к. п. д. батареи из-за токов утечки обычно составляет 0,5—5%. Потери от переполюсовкп ТЭ можно в принципе свести до нуля.

б) Отвод продуктов реакции и тепла

В результате электрохимических реакций в ТЭ обра­ зуются продукты реакции, которые должны непрерывно выводиться из ТЭ, иначе будут изменяться состав элект­ ролита, реагентов, активность катализаторов и т. и.

Скорость генерации продуктов электрохимической реакции в соответствие с законом Фарадея должна быть равна:

61

Скорость отвода тепла от батареи ТЭ соответственно

р а в н а :

qö=^JrS,,ü — Up j (78а)

пли

(786)

Как видно, скорость генерации тепла в батарее ТЭ растет 'пропорционально мощности батареи и уменьша­ ется с увеличением напряжения отдельных ТЭ. Тепло­ выделение обусловлено омическими .потерями в электро­ лите, поляризацией электродов, токами утечки в бата­ рее. Количество выделяемого тепла также зависит от знака и величины энтропии реакции.

В случае протекания побочных химических реакции в ТЭ может генерироваться дополнительное тепло. Ско­ рость выделения тепла из-за 'побочных реакций равна:

эффект побочной химической реакции.

Способы отвода тепла из батареи ТЭ изменяют в за­ висимости от типа и условии работы ЭКГ. Тепло может быть отведено следующими .методами: а) конвекцией и теплопроводностью в окружающую среду; б) испаре­ нием продуктов реакции; в) циркуляцией раствора электролита; д) циркуляцией избытка реагента; д) при­ менением теплообменников внутри батареи.

Конкретное решение проблемы теплоотвода зависит от типа и устройства ТЭ и батареи ТЭ и условии их работы, поэтому подробное рассмотрение отвода тепла целесообразно проводить применительно к конкретным ЭХГ.9

9. Основные параметры ЭХГ

а ) Мощность ЭХГ

Различают общую мощность ЭХГ, равную мощности батареи ТЭ No, и реальную мощность Л/р, которую ЭХГ выдает во внешнюю цепь. Разница между общей мощ-

63

i-юстыо батареи и реальной мощностью ЭХГ равна мощ­ ности ЭХГ, необходимой на собственные нужды:

где Nc —• мощность, необходимая на собственные нужды ЭХГ.

В мощность, необходимую на собственные нужды, входит мощность насосов для подачи реагентов н отво­ да продуктов реакции, циркуляции электролитов, мощ­ ность вентиляторов, нагревателен, конденсаторов н т. н.

Реальная мощность ЭХГ в свою очередь равна:

где І,і и и„ — ток нагрузки н на,пряжение батареи при нагрузке.

Во многих случаях требуется переменный уровеньмощности. При этом напряжение нагрузки обычно изме­ няется мало, а ток нагрузки может изменяться в значи­ тельных пределах. Изменение мощности за счет тока нагрузки при относительно малом изменении напряже­ ния возможно в случае пологой вольт-амперной кривой ТЭ. В случае большой поляризации ТЭ изменение мощ­ ности при малом изменении напряжения невозможно. Увеличение мощности в этом случае может быть достиг­ нуто повышением давления или концентрации реаген­ тов. повышением температуры или введением резервных блоков ТЭ.

б) Масса и объем энергоустановки на основе ЭХГ

Масса или объем энергоустановки состоит из массы или объема батареи ТЭ, топлива п окислителя, вспомо­ гательного оборудования для подвода, обработки топ­ лива и окислителя, отвода продуктов реакции и тепла. Общая масса установки соответственно равна:

где іщу — масса ЭХГ с реагентами; nie — масса батареи; піа.с — масса вспомогательных систем; іпр— масса реа­ гентов.

Общую массу ЭХГ при постоянной мощности можно оценить при известном значении удельных параметров генератора и реагентов

64

где Шіі.ѵ— удельный параметр батареи па единицу мощ­ ности; k„iA — удельный параметр реагентов па единицу энергии.

В соответствии с (73)

Шбх= (1 +ue)l-4K,/Ns.

10 кг/(кВт-ч). Масса вспомогательных систем опреде­ ляется устройством и мощностью ЭХГ. Для разработан­ ных ЭХГ• мощностью 1—5 кВт масса вспомогательных систем близка к массе батареи ТЭ, т. е. составляет при­ мерно половину массы ЭХГ без реагентов.

Из уравнения (83) следует, что при малом времени работы ЭХГ между заправками реагентов, когда tknіл< <ni6N, основную долю массы составляет масса собст­ венно генератора, т. е. батареи ТЭ и вспомогательного оборудования. А так как масса батареи ТЭ на единицу мощности уменьшается с увеличением плотности мощ­ ности ТЭ согласно (73), то масса энергоустановки 'при малом времени работы ЭХГ уменьшается с увеличением плотности мощности ТЭ.

С увеличением времени работы ЭХГ между заправ­ ками растет доля массы реагентов в общей массе энер­ гоустановки. При больших значениях t, когда

ШбіУ WiW,

основную долю массы составляет масса реагентов. С точ­ ки зрения минимальной массы энергоустановки следует снижать плотность тока ТЭ по мере увеличения време­ ни работы ЭХГ между заправками реагентов.

где VW — удельный объемный параметр батареи на единицу мощности; кѴл — удельный объемный параметр реагентов на единицу энергии; W.o — объем вспомога­ тельных систем.

Важными показателями энергоустановки являются масса или объем ЭХГ с реагентами на единицу мощно­ сти или энергии. Массу ЭХГ с реагентами на единицу общей мощности батареи и единицу энергии можно определить с учетом (83)

различном времени работы ЭХГ между заправками реа­ гентов (табл. 4). При расчете удельной массы прини­

66

реагентов и времени работы изменяются на несколько порядков. При времени работы без заправки около 1 ч параметры ЭХГ определяются в основном параметрами батареи и вспомогательного оборудования, при времени работы между заправками более 100 ч — параметрами реагентов.

в) Эффективный к. а. д. ЭХГ

Эффективный к. п. д. ЭХГ ниже эффективного к. п.д. ТЭ из-за потерь энергии в системе обработки реагентов, потерь энергии в батарее вследствие токов утечки и расхода энергии на собственные нужды ЭХГ.

В некоторых случаях топливо подвергается предва­ рительной переработке с целью получения пригодного для ТЭ реагента. При этом либо тратится часть энер­ гии, вырабатываемой в ЭХГ в случае эндотермической реакции переработки топлива, либо теряется тепло в случае экзотермической реакции переработки топлива. При обработке топлива может также снижаться фарадеевский к. п. д. из-за неполного использования реаген­ та. Кроме того, часть энергии ЭХГ тратится на питание системы переработки топлива (насосы и т. п.). Это так­ же снижает к. п. д. Эффективный к. п. д. батареи ТЭ может быть ниже эффективного к. п. д. отдельно рабо­ тающего элемента пз-за токов утечек. Потери, напри­ мер, за счет токов утечек в батареях составляют 0,5— 5%. Часть энергии, вырабатываемой в ЭХГ, расходует­ ся на собственные нужды. Обычно энергия на собствен­ ные нужды составляет 3— 10% общей энергии, выраба­ тываемой ЭХГ. Однако в случае переработки топлива, например конверсии углеводородов, энергия на собст­ венные нужды возрастает до 10—25%.

Эффективный к. п. д. может быть экспериментально определен по уравнению

t

[ Л'р d t

дни окисления топлива, отнесенная к грамм-молю реа­

гентов.

Эффективные к. и. д., разработанных ЭХГ без реак­ торов, лежат в пределах 0,45—0,65. Для ЭХГ с предва­ рительной переработкой, например конверсией топлива, к. ,п. д. имеют более низкие значения 0,3—0,45.

г) Ресурс ЭХГ

Ресурс ЭХГ определяется ресурсом всех систем: ба­ тареи ТЭ, систем отвода тепла, переработки и подвода топлива и окислителя и вывода продуктов реакции.

Ресурс батареи ТЭ ниже ресурса отдельного ТЭ изза неоднородности характеристик отдельных ТЭ, вызы­ ваемых как различием поведения собственно ТЭ, так и неравномерностью распределения реагентов по бата­ рее и токами утечки. В результате этого одни ТЭ могут работать с недогрузкой, другие — с перегрузкой. Поэто­ му характеристики некоторых ТЭ могут ухудшаться во времени больше, чем характеристики других, а напря­ жение отдельных ТЭ может упасть до нуля, что вызовет их переполюсовку и соответственно снижение мощности батареи. Срок службы батарей ТЭ лежит в пределах 1 000— 10 000 ч. Ресурс других систем определяется устрой­ ством этих систем. Например, при переработке топлива может происходить отравление катализаторов реакции ядами, имеющимися в исходном топливе, что снижает ресурс ЭХГ. В ЭХГ могут выходить из строя насосы, вентиляторы, конденсаторы и т. д. Однако такое вспо­ могательное оборудование обычно можно легко заме­ нить. Значительно сложнее восстановить характеристики батареи ТЭ. Легче восстановить характеристику бата­ реи тогда, когда она состоит из легко заменяемых бло­ ков. В этом случае при ухудшении характеристики от­ дельных блоков последние заменяются новыми и харак­ теристики батареи восстанавливаются.

В заключении следует отметить, что повышение ре­ сурса ЭХГ является важной, весьма сложной, но еще не­ достаточно изученной проблемой.

д) Экономические показатели ЭХГ

Экономика является наименее изученной областью ЭХГ. Работ, посвященных экономическим показателям ЭХГ, немного. Это обусловлено в первую очередь тем,

68

что пока ист 'массового 'производства ЭХГ. Изучаемые ЭХГ обычно получены либо в одном экземпляре, либо в виде мелких серий. Сложность экономических оценок ЭХГ также обусловлена большим разнообразием ЭХГ, различающимися как используемыми реагентами, так и устройством ТЭ и ЭХГ в целом. Поэтому пока можно провести лишь качественную экономическую оценку по­ казателей ЭХГ, исходя из общих соображений. К эко­ номическим показателям ЭХГ относят капитальные за­ траты на изготовление ЭХГ и стоимость вырабатывае­ мой энергии.

Капитальные затраты включают в себя стоимость батареи и вспомогательного оборудования, которые в свою очередь определяются ценой п количеством ис­ пользуемых материалов и затратами на изготовление. Для улучшения характеристик ТЭ электроды некоторых ТЭ имеют катализаторы на основе дорогих платиновых металлов и серебра. Расчеты .показывают, что при со­ держании платины 5 мг/см2 и более стоимость катали­ затора может быть выше стоимости всей батареи ТЭ без катализатора. Поэтому важной задачей, над кото­ рой работают специалисты в области ЭХГ, является снижение содержания (до 0,01—0,5 мг/см2) или полное исключение платиновых металлов. Стоимость вспомога­ тельного оборудования зависит от мощности ЭХГ. С уве­ личением мощности ЭХГ стоимость вспомогательного оборудования на единицу мощности уменьшается. Рас­ четы показывают, что стоимость вспомогательного обо­ рудования для ЭХГ мощностью 1—5 кВт соизмерима со стоимостью батареи ТЭ.

Стоимость энергии, вырабатываемой в ЭХГ, опреде­ ляется стоимостью реагентов, эксплуатационными рас­ ходами и амортизационными отчислениями.

Стоимость реагентов на единицу энергии Ѳра можно оценить по уравнению

(88)

где ßD и ßoK — стоимость единицы количества электри­ чества при фарадеевском к. п. д., равном 1 соответст­ венно для топлива и окислителя.

В табл. 5 приведены мировые цены на некоторые виды топлива и окислителей [Л. 4,7,17—25]. Указанные

69