Электрохимические преобразователи энергии
		Электрохимические преобразователи энергии
Электрохимические преобразователи энергии. 
1. Общие сведения. 
  К ЭХП будем относить  электрохимические  генераторы  (ЭХГ),  т.е.  батареи 
топливных элементов  (ТЭ)  со  вспомогательными  устройствами  и  химические 
аккумуляторные    батареи.    Топливным    элементом    называется    прямой 
преобразователь  химической  энергии  в  электрическую,  в  котором  реакция 
электрохимического окисления происходит без расхода  вещества  электродов  и 
электролита. Исходными реагентами служат горючее  и  окислитель,  обладающие 
запасом  энергии  химических  связей,  которая   преобразуется   в   энергию 
постоянного  электрического  тока  (при  получении   конечного   химического 
продукта  взаимодействия  компонентов   топлива   и   выделении   некоторого 
количества тепловой энергии). В обращенном или регенераторном режиме  работы 
ТЭ подведенная к нему  электроэнергия  преобразуется  в  химическую  энергию 
реагентов топлива. 
   Аккумуляторным элементом, входящим в  состав  химической  АБ,  называется 
накопитель электрической энергии при ее превращении  в  химическую  энергию, 
который осуществляет также и обратное преобразование  химической  энергии  в 
электроэнергию  при  изменении  состава  вещества   электродов   и   участии 
электролита в токообразующей реакции. 
    Характерным  показателем  технического  качества  ЭХП  служит   удельная 
энергия W* на единицу массы преобразователя. Применяемые в ЭХГ различные  ТЭ 
принципиально могут работать на горючем  органического  или  неорганического 
состава. В качестве окислителя используются преимущественно кислород  O2,  а 
также перекись водорода H2O2, азотная кислота HNO3, галогены  Cl2,  F2.  При 
выборе рабочих  тел  ЭХГ  учитывают:  удельную  энергию,  конечные  продукты 
реакции,  стоимость,  агрегатное  состояние  веществ  и  связанную   с   ним 
относительную массу тары (контейнеров,  баллонов)  для  хранения  реагентов, 
возможность    их    непрерывного    подвода    к    электродам,    скорость 
электрохимического взаимодействия (при наличии катализаторов и при  заданных 
диапазонах температуры и  давления).  Наиболе  широко  для  ЭХГ  в  качестве 
горючего применяется водород H2  и  гидразин  N2O2  в  связи  с  их  высокой 
активностью,  легкостью  подвода  и  отвода  конечных   продуктов   реакции, 
достаточно  высокой   удельной   энергией.   Известны   разработки   ЭХГ   с 
использованием метана CH4, пропана C3H8, а  также  метанола  CH3OH,  аммиака 
NH3,   имеющих   относительно   низкую   стоимость.   Представляют   интерес 
перспективные  разработки  полутопливных  элементов   (с   подводом   только 
окислителя)  на  основе  встроенного  в  элемент   твердотельного   горючего 
(металлов Zn,  Al,  Mg,  Li  и  др.).  Отдельные  разновидности  компонентов 
топлива  относятся  к  токсичным  веществам,  например,  угарный   газ   CO, 
гидразин, аммиак, галогены  и  т.п.  Поэтому  предпочтительно  использование 
водород-кислородных ЭХГ, в особенности  для  автономных  бортовых  объектов. 
Конечным продуктом реакции данных ЭХГ служат пары  воды,  эти  ЭХГ  являются 
экологически  чистыми.  После  сепарации   и   удаления   электролита   вода 
используется  в  системах  жизнеобеспечения,  в  частности  на   КЛА,   либо 
направляется  для  получения  исходных  продуктов  реакции  (H2  и   O2)   в 
регенерационных циклах. 
   Общим достоинством ЭХГ  на  ТЭ  является  высокий  КПД.  Применительно  к 
автономным объектам существенное  значение  имеет  бесшумность  работы  ЭХГ, 
отсутствие  механически  перемещающихся  деталей  и  изнашивающихся  частей. 
Ресурс ЭХГ определяется имеющимся запасом топлива (в открытых  циклах)  либо 
долговечностью вспомогательного оборудования в  циклах  с      регенерацией; 
ресурс ЭХГ может превосходить 104 ч. 
    Энергетический  уровень  ЭХГ  при  мощности   АЭУ   P=10   -   100   кВт 
характеризуется удельной энергией W*=(1.5 .. 2)*103 кДж/кг на единицу  массы 
генератора, заправленного топливом. (Для ряда разновидностей  химических  АБ 
значение  W*  на  порядок  меньше.)  В  перспективе  возможно  создание  ЭХГ 
мощностью P=103 кВт при КПД h=0.9. 
    Недостатки  ЭХГ  состоят  в   сложности   обеспечения   сбалансированных 
электрохимических реакций и в относительно малой  удельной  мощности  P*  на 
единицу массы генератора. Без учета массы запаса  топлива  параметр  P*=0.15 
..  0.2  кВт/кг  несколько  ниже,  чем  в  химической  АБ.  Ввиду  специфики 
электрохимических  реакций  из  ЭХГ   нельзя   достаточно   быстро   вывести 
электрическую  энергию.  Для  обеспечения  сбалансированной  реакции  в  ЭХГ 
необходимо  с  помощью  специальных  подсистем   обеспечить   разделение   и 
дозированную  подачу  компонентов  топлива,  а  также  непрерывное  удаление 
конечных  продуктов  токообразующей  реакции.  Показатели   ЭХГ   достаточно 
чувствительны  к   чистоте   химреагентов,   примеси   существенно   снижают 
эффективность ТЭ, их ресурс. 
 2. Область применения. 
   Применение ЭХГ нашли в основном для энергообеспечения АЭУ,  в  том  числе 
подвижных  и  стационарных.  Имеется  значительный  опыт,   накопленный,   в 
частности,  за  рубежом  (США),  по  использованию  ЭХГ  в  разработках  для 
космических программ "Апполон", "Джеммини", "Скайлеб", "Спейс Шаттл"  и  др. 
Проводятся многочисленные разработки и исследования по  применению  ЭХГ  для 
наземных  транспортных  установок,  например  электромобилей,  а  также  для 
морских судов. 
   Традиционно применяемым во многих отраслях  техники  видом  ЭХП  являются 
химические  АБ.  Наиболее  широко  распространены   сравнительно   недорогие 
свинцово-кислотные АБ. Они достаточно долговечны по числу допустимых  циклов 
"заряд - разряд", но имеют  сравнительно  низкую  удельную  энергию  (W*200  кДж/кг,  но  их  долговечность  мала. 
Повышение долговечности  достигается  в  газодиффузионных  никель-водородных 
АБ, в которых W*>250 кДж/кг. Еще более высокий  показатель  (W*>500  кДж/кг) 
имеют серно-натриевые АБ, но их ресурс составляет 100 - 200 циклов "заряд  - 
разряд".  Дальнейшее  повышение  W*  теоретически  до  значений  103  кДж/кг 
возможно в литиевых АБ, но их недостаток - малый ресурс  вследствие  высокой 
корозионной активности Li. 
   Запас энергии в химической АБ принято характеризовать  зарядной  емкостью 
(в Ач или Кл), необходимое значение которой зависит от  мощности  и  времени 
работы  потребителей  электроэнергии.   Химические   АБ   получили   широкое 
распространение  на  транспорте,  в  системах   электростартерного   запуска 
авиационных  и  автомобильных   двигателей,   в   судовых   установках,   на 
электромобилях, во внутризаводском электротранспорте, на  электропогрузчиках 
и т.д. 
   В условиях КЛА всегда реализуется параллельная  работа  химической  АБ  с 
ФЭП. Последние производят подзарядку АБ в  "дневные"  часы.  Для  автономных 
установок, в том числе на КЛА, целесообразно также сочетание ФЭП с  системой 
"электролизер - ЭХГ". Часть энергии ФЭП в "дневные"  часы  затрачивается  на 
разложение воды, а в "ночные" часы полученные H2 и  O2  обеспечивают  работу 
ЭХГ. 
  3. Физико - химические процессы в ЭХГ 
   Как и в реакции горения  (активируемого,  например,  зажиганием),  стадии 
токообразующей электрохимической реакции также  протекают  одновременно,  но 
локализованы в различных  областях  внутреннего  пространства  ТЭ.  Основные 
данные некоторых применяемых на практике ТЭ приведены в табл. 1. В  качестве 
типового   приметра   рассмотрим   работу   водород   -   кислородного   ТЭ. 
Стехиометрическое уравнение суммарной реакции: 
[pic] 
имеет такой же вид, как при горении. Поясним устройство и  принцип  действия 
ТЭ, в котором  электрохимическая  реакция  происходит  на  стыках  трех  фаз 
состояния  веществ:  газообразной  (восстановителя  H2  и  окислителя   O2), 
жидкостной (щелочного  электролита  -  раствора  KOH)  и  твердой  (пористых 
металлокерамических электродов). Схема ТЭ показана  на  рис.  1а.  Электроды 
анод 1 и катод 2 выполнены из композитного материала 
Таблица 1:  Теоретические значения удельных показателей ТЭ для 
           разработанных ЭХГ. 
|Химические|Напря-жени|                                | | |Энергия на| 
|          |е         |Расход на единицу  генерируемой | | |единицу   | 
|реагенты  |элемента, |энергии,  г/МДж                 | | |массы     | 
|          |В         |                                | | |топлива,  | 
|          |          |                                | | |кДж/кг    | 
|          |          |горючего  |окислителя|топлива   |          | 
| H2  - O2 |   0.9    |  10.6    |    91.6  |  102.2   |  9750    | 
| C3H8 - O2|   0.8    |   27     |    91.6  |  118.6   |  8460    | 
| NH3 - O2 |   0.7    |  83.4    |   116.6  |   200    |  5000    | 
| N2H4 - O2|   0.9    |  91.6    |    91.6  |  183.2   |  5450    | 
|N2H4-H2O2 |   0.9    |  91.6    |   197.4  |   289    |  3470    | 
Примечание: С  учетом  влияния  необратимых  электрохимических  процессов  в 
          реальных ТЭ        удельный расход топлива возрастает в  1.5  -  2 
          раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза по сравнению 
          с соответствующими  теоретическими  показателями,  приведенными  в 
          таблице. 
(например, из графитовой керамики с платиновым катализатором).  Электроды  1 
и 2 отделены слоем электролита - раствора щелочи KOH, который не  пропускает 
нейтральные молекулы или атомы газов водорода  и  кислорода.  Ионизированные 
газы, например, ионы H+,  могут  дрейфовать  сквозь  электролит.  Корпус  ТЭ 
выполняется из титанового сплава 4, химически не взаимодействующего  с  KOH. 
Внешняя цепь ТЭ замкнута сопротивлением Rн нагрузки,  которое  подключено  к 
металлическим наплавкам на электродах. 
   Газообразные компоненты химического топлива  -  отдающий  свои  электроны 
восстановитель H2 и присоединяющий электроны окислитель O2  -  -  непрерывно 
подводятся под избыточным давлением к порам анода  и  катода  (рис.  1а)  из 
резервуаров с запасом реагентов. 
    1.  На  поверхностях  анода,  смоченных   р-ром   KOH,   в   электролите 
растворяется газообразный водород и абсорбируется на стенках пор  электрода. 
В растворе гидроксид калия находится в диссоциированном состоянии: 
                                     [pic] 
   Водород в присутствии ионов OH- он легко отдает  электроны  (окисляется), 
образуя воду: 
                                   [pic] 
[pic] 
                                                                          а) 
   б) 
Рис . 1.  Схемы водородно-кислородных топливных элементов: 
а - с жидким электролитом (раствором КОН); б - с ионообменной мембраной 
2.  На  поверхности  катода   аналогичные   явления   приводят   к   реакции 
восстановления кислорода,  который  в  присутствии  воды  отбирает  у  этого 
электрода образовавшиеся свободные электроны: 
                      [pic] 
   В итоге  этих  первой  и  второй  стадий  "холодного  горения"  на  аноде 
образуется избыток электронов, а в примыкающем растворе -  недостаток  ионов 
гидроксила OH-. На катоде же имеется недостаток электронов, а  в  окружающем 
его электролите - избыток ионов H+.  Вследствие  этого  протекают  следующие 
две стадии реакции. 
   3. По внешнему участку цепи от анода  к  катоду  через  сопротивление  Rн 
проходят электроны 4e-, совершая полезную электрическую работу  (направление 
тока I противоположно перемещению электронов). 
   4. В электролите происходит диффузия ионов  4OH-  с  катода   на  анод  и 
посредством ионного тока замыкается электрическая цепь  (согласно  уравнению 
непрерывности полного тока div J = 0). 
    Если  сложить  реакции   для   первой   и   второй   стадии,   получится 
результирующее уравнение реакции [pic], конечным продуктом которой  является 
вода. Избыточное количество паров воды  2H2O  удаляют  из  ТЭ,  например,  с 
помощью продувки с последующей сепарацией  или  выпариванием.  Очищенная  от 
паров электролита, вода может направляться для дальнейшей  утилизации  (рис. 
1а). 
        Сбалансированный  ход реакций на указанных  стадиях  у  поверхностей 
электродов определяется  равновесием  давлений  газовой  и  жидкостной  фаз: 
                                pr = pэ + pк ; 
здесь  pr   -  внешнее  давление  газообразных  реагентов  (  водорода   или 
кислорода ); pэ - гидростатическое давление электролита;  pк =(s cosq)/d - 
его капиллярное давление в порах электродов;  s -   поверхностное  натяжение 
(H/м); q  - угол смачиваемости; d  - диаметр поры. 
       В  изготовляемых  двухслойными  электродах  ЭХГ  поры  выполняются  с 
различными значениями  d.Слой, который обращен к газовой среде(Н2 или О2)  и 
содержит измельченный катализатор ( например, Pt),  имеет  толщину  d»0.5  ё 
0.6 мми поры с d»30 ё 50 мкм. В обращенном к KOH слое с   мм  поры  имеют  d 
мкм. Давление pз меньше на [pic] 
чем давление [pic] которое препятствует вытеканию  электролита.  Нейтральные 
молекулы или атомы газообразных компонентов при этом значении  pr  также  не 
могут проникнуть в электролит, преодолев  капилярные  силы.  На  поверхности 
электродов обеспечивается равновесие фаз, поэтому через KOH возможно  только 
ионов, образовавшихся в результате реакций. 
   Наряду с  KOH  в  ТЭ  возможно  использование  кислотного  электролита  - 
раствора H2SO4. 
   Требующееся  испарение  воды  из  элементов  с  жидкостным  электролитом, 
работающих при давлении 5Ч105 Па и  более,  определяет  эксплуатацию  ТЭ  на 
среднетемпературном ( 373 - 523 К ) или высокотемпературном ( боле 523  К  ) 
уровне,  что  обусловливает  необходимость  наличия  в  составе   ЭХГ   ряда 
технически  сложных  вспомогательных  устройств.   Для   преодоления   таких 
затруднений применительно к АЭУ  разработаны  водород  -  кислородные  ТЭ  с 
ионообменными  мембранами  (ИОМ)  в  виде  квазитвердых   веществ   (гелей), 
разделяющих   разнополярные   электроды   в   ТЭ.   Изготовляют    ИОМ    из 
фтороуглеродистого  аналога  тефлона.  На   полимерной   сетке   -   матрице 
закреплены ионы, они могут обмениваться на  другие  ионы,  присутствующие  в 
межэлектронной среде.  На  практике  для  ТЭ  применяют  ИОМ  с  сульфатными 
катионами, например, 
[pic]По своим функциям ИОМ подобна электролиту, она  способна  противостоять 
воздеймтвию нейтральных молекул и атомов H2 и O2. Схема ТЭ с  ИОМ  приведена 
на рис. 1б. Пористые керамические электроды 1 и  2  прижаты  к  мембране  3. 
Контактирующие с ИОМ поверхности  анода  и  катода  покрыты  каталитическими 
слоями металла. Принцип работы ТЭ с ИОМ состоит в следующем. 
   На аноде подводимый газообразный водород ионизируется по реакции: 
                            [pic]. 
   Ионы водорода под влиянием градиента их концентрации  и  соответствующего 
электрического поля перемещаются сквозь ИОМ к катоду, на  котором  протекает 
реакция: 
                              [pic] 
   Электроны 4e- через Rн поступают к катоду.  Полученная  вода  (H2O)n  под 
действием градиента ее концентрации возвращается к аноду. Две молекулы  воды 
(2H2O), образующиеся в элементарном акте  реакции,  необходимо  отводить  из 
зоны реакции, например, дренажным устройством. При  работе  ТЭ  гель  в  ИОМ 
набухает и находится, как указывалось, в квазитвердом состоянии. 
   Кроме ИОМ в ТЭ применяются также  капилярные  мембраны  типа  волокнистых 
материалов, пропитанных щелочным электролитом  (например,  асбест).  Принцип 
действия  ТЭ  с  капилярными  мембранами  такой  же,  как  ТЭ  с  жидкостным 
электролитом. 
    В отдельных установках возможно использование ЭХГ с ТЭ,  работающими  на 
других компонентах  топлива,  кроме  H2  -  O2.  Итоговая  электрохимическая 
реакция окисления восстановителя Red  и  восстановителя  Ox  имеет  в  общем 
случае вид 
                                    [pic] 
    В  ТЭ  имеет  место  встречное  движение  разнополярных   ионов   внутри 
электролита и переход электронов от анода  к  катоду  по  сопротивлению  Rн, 
замыкающему внешнюю цепь.  При  этом  осуществляется  прямое  преобразование 
энергии химических связей Red и Ox в  электрическую  энергию.  Конкретизацию 
общей формы  записи  токообразующих  реакций  рассмотрим  примере  окисления 
гидразина  N2H4.  Реакция  окисления  гидразина  имеет  место  в  ЭХГ  малой 
мощности. 
   Анодное окисление гидразина: 
                               [pic] 
   Катодное восстановление кислорода: 
                              [pic] 
   Суммарное стехиометрическое уравнение реакции: 
                              [pic] 
 График зависимости U от I 
[pic] 
                                                                          а) 
б) 
Рис. 2: Характеристики водородно - кислородного ЭХГ: 
                  а - общая форма  характеристикии  и  зависимость  полезной 
        мощности от тока; 
         б - аналоги внешней характеристики  -  зависимости  напряжения   от 
        плотности  тока  для  ТЭ  различного   исполнения   (1-с   раствором 
        электролита; 2-с капилярной мембраной; 3-с ИОМ при Т=355 К; 4-с  ИОМ 
        при Т=313 К). 
 Внешняя характеристика U=f(I). 
   Отклонение от состояния равновесия при работе ТЭ практически  приводит  к 
уменьшению напряжения и снижению КПД по сравнению  с  их  термодинамическими 
значениями вследствие изменения потенциала катода и  анода  при  прохождении 
тока в  цепи  ТЭ.  Совокупность  этих  явлений  называют  поляризацией.  При 
совершении  работы  выхода  (активации)  из  металла  электрода  в   раствор 
электролита  электрон  преодолевает   потенциальный   барьер,   образованный 
двойным слоем разноименных  зарядов.  На  границе  "электрод  -  электролит" 
наблюдается различие концентраций  ионизированных  реагентов.  Электролит  и 
электроды имеют собственное внутреннее сопротивление. Упрощенно,  совместное 
влияние перечисленных эффектов можно учесть с помощью падения напряжения  на 
нелинейном внутреннем сопротивлении  ТЭ  Rвн.  При  этом  уравнение  внешней 
характеристики приближенно записывается в виде 
                   U = Eн - IRвн. 
где Eн - ЭДС при  нагрузке,  учитывающая  активационную  и  концентрационную 
поляризацию;  сопротивление  электролита  Rэл  практически   равно   Rвн   и 
учитывает "омическую" поляризацию. 
   Общая форма внешней характеристики  ЭХГ  показана  на  рис.  2а.  Большая 
крутизна | dU / dI | при  малых  и  повышенных  значениях  тока  обусловлена 
соответственно поляризацией активации электродов (участок 1) и  приграничной 
поляризацией концентрации (участок 3). Линейный  участок  2  с  относительно 
малой крутизной |  dU  /  dI  |  отражает  влияние  в  основном  "омической" 
поляризации. На рис. 2б. приведены аналоги внешних характеристик  U  =  U(J) 
для конкретных 
[pic] 
Рис. 3: Схемы ЭХГ: 
            а   -    последовательно-параллельное    соединение    топливных 
               элементов; 
                б -  упрощенная электрическая схема замещения. 
ТЭ. Геометрическая  плотность  тока  J  (на  единицу  кажущейся  поверхности 
электрода) может при кратковременных режимах достигать 0.1 - 0.2 А/см2. 
   Электрическая схема ЭХГ, построенная  по  матричному  принципу,  дана  на 
рис. 3а;  (Iэ, Uэ - ток и напряжение  ТЭ).  Упрощенная  схема  замещения  ТЭ 
представленна на  рис. 3б. сли при T = const рассматривать ТЭ  как  линейный 
элемент с постоянными эквивалентными параметрами 
                      [pic]     [pic] 
где Rн, Lн - сопротивление и индуктивность нагрузки;  Lэ,т  -  индуктивность 
электродови токоотводов, то процесс разряда ТЭ описывается уравнением: 
                      [pic]    [pic] 
Здесь [pic] установившийся ток нагрузки; 
        [pic] эквивалентная постоянная времени. 
Электроэнергетические установки на базе электрохимических генераторов. 
   ЭХГ в целом кроме батареи ТЭ  и  вспомогательного  оборудования  включает 
ряд  блоков,  снабженных  взаимными  прямыми   и   обратными   связями   для 
обеспечения функционирования в заданном режиме. Можно  классифицировать  ЭХГ 
как   техническую   систему,   состоящую   из   соответствующих   подсистем. 
Укрупненная схема ЭХГ (рис.  4.)  в  качестве  главной  подсистемы  содержит 
батарею топливных элементов БТЭ, а также подсистемы: хранения горючего   ПХГ 
и окислителя ПХО; обработки горючего ПОГ и окислителя ПОО;  подачи  горючего 
ППГ и окислителя ППО. Наряду с ними  имеются  подсистемы  отводов  продуктов 
реакции ПОПР, теплоотвода  ПТО  и  подсистема  контроля  и  автоматики  ПКА, 
которая соединена двусторонними связями с подсистемами подачи  и  отвода.  К 
подсистеме потребления и регулирования электроэнергии ППРЭ подключена БТЭ. 
   Применительно к водород - кислородному  ЭХГ  в  ПХГ,  ПХО  осуществляется 
криогенное хранение сжиженных компонентов топлива, в ПОГ,  ПОО  производится 
нагрев H2 и O2 , которые в газообразном состоянии  подводятся  к  ППГ,  ППО. 
Эти  подсистемы  производят  дозированную  подачу  реагентов  при   заданных 
параметрах  (давлении,  температуре)   в   БТЭ,   где   происходит   реакция 
электрохимического окисления. Удаление паров воды в ЭХГ выполняет ПОПР.  Для 
ЭХГ, применяемых на КЛА, важное значение имеет ПТО,  содержащая  холодильник 
-  излучатель,  к  которому  тепло  доставляется  с  помощью  циркуляционных 
устройств с жидкостным теплоносителем. 
    Для  КЛА  многоразового  использования  "Спейс  Шаттл"  фирма  "Дженерал 
Электрик"  (США)  выполнила  ЭХГ  с  водород  -  кислородными  ТЭ,  имеющими 
позолоченные электроды с  платиновыми  катализаторами.  Электроды  разделены 
ИОМ, во избежание высушивания которых  организован  отвод  тепла  от  анода, 
что создает движущий градиент концентрации  для  возвращения  H2O  к  аноду. 
Отвод  воды  -  продукта  реакции  -  реализован  с  помощью   автоматически 
действующей схемы  с  микропористым  сепаратором  и  волокнистыми  фитилями, 
выступающими из сборки ТЭ. На рис. 5. дана упрощенная  функциональная  схема 
подобного ЭХГ, в составе которого находится батарея топливных элементов  БТЭ 
из 76 ТЭ с ИОМ. 
[pic] 
Рис. 4. Функциональная схема ЭХГ с ТЭ на  ИОМ  (  1  -  теплообменник;  2  - 
сепаратор воды; 3 -  блок  увлажнения  реагентов  и  регулирования  давления 
воды; 4 - компенсатор давления электролита; 5, 6  насосы;   7  -  излучатель 
тепла; 8 - тракт продувки кислорода; 9 - тракт отвода  Н2О  в  сборный  бак) 
Две секции БТЭ,  имеющие  по  38  ТЭ,  соединены  параллельно  и  генерируют 
электрическую мощность 5 кВт. Батарея размещена в цилиндрическом  контейнере 
диаметром 0,33 м  и  габаритной  длиной  0,94  м.  Удельная  масса  БТЭ  без 
заправки равна 11 кг/кВт. Эксперименты показали,  что  сборка   ТЭ  способна 
работать более 5000 ч без деградации ИОМ при температуре до 455 К. 
   На  КЛА  многоразового  использования  "Буран"  установлены  четыре   ЭХГ 
мощностью по 10 кВт ( суммарная мощность 40 кВт ) серии "Фотон"  на  водород 
- кислородном топливе H2 - О2. Напряжение одного генератора,  состоящего  из 
128  топливных   элементов,   составляет   29,2   В   (   схема   генератора 
содержитчетыре  параллельные   ветви,   в   каждой   из   которых   включено 
последовательно по 32 элемента). Масса ЭХГ  составляет  145  кг,  масса  его 
блока автоматики - 15 кг ( удельная масса 14,5  кг/кВт,  а  с  учетом  блока 
автоматики - 16 кг/кВт ). Ресурс ЭХГ равен 2000 ч, его КПД 62% 
 Для длительной эксплуатации в АЭУ перспективны  установки,  в  которых  ЭХГ 
работает совместно с регенератором компонентов  топлива,  разлагающим   воду 
на водород и кислород. Электролиз воды требует подведения извне энергии  для 
разрыва валентной химической связи 
Н - О - Н. При мощностях менее 1 кВт целесообразно  интегральное  исполнение 
ЭХГ и электролизера воды (ЭВ). При  более  высоких  электрических  мощностях 
ЭХГ и электролизер  воды  в  раздельном  исполнении  имеют  лучшие  технико- 
экономические показатели, чем у интегрального устройства. В  зависимости  от 
вида подводимой к регенератору Р энергии  принципиально  возможны  различные 
способы разложения воды. Высоким КПД отличается электролиз  при  пропускании 
через  Н2О  электрического  тока:  отношение  теплоты  сгорания  полученного 
топлива к энергозатратам на  выделение  Н2  и  О2  достигает  70  -  80%.  В 
особенности электролиз эффективен для АЭУ на КЛА при использовании Солнца  в 
качестве источника первичной энергии  с  последующим  ее  преобразованием  в 
ФЭП. 
   Разложение воды на Н2 и О2 можно реализовать  непосредственно  в  ТЭ  при 
пропускании тока в обратном направлении по отношению  к  току  генераторного 
режима,  используя  принцип   обратимости   ТЭ,   который   выполняет   роль 
электролизной ячейки. При  таком  способе  регенерации  компонентов  топлива 
ресурс регенеративного ТЭ ограничен объемом резервуаров для  хранения  Н2  и 
О2. Известны регенеративные ТЭ, в которых полученные газы Н2 и  О2  хранятся 
в пористых или губчатых устройствах внутри ТЭ. Данный  тип  ТЭ  по  принципу 
дествия формально аналогичегн химической АБ,  причем  электрическая  емкость 
регенеративного ТЭ определяется количеством  адсорбированных  газов.  Как  и 
ТЭ,  возможно  выполнение  электролизной  ячейки  с  электролитом,  ИОМ  или 
капиллярной   мембраной.   Прикладываемое   к   электролизной   ячейке   при 
электролизе  напряжение  на  30  -  80%  должно   превосходить   напряжение, 
генерируемое ТЭ, поскольку поляризационные эффекты  в  электролизной  ячейке 
проявляются сильнее, чем в ТЭ. 
    Регенеративная   электроэнергетическая   установка   (РЭУ)   космической 
долговременной  технологической  базы  включает  восемь  идентичных  модулей 
данного типа, средняя энергетическая мощность каждого из которых  составляет 
12,5 кВт. Газовые баллоны рассчитаны на запас  реагентов  9-11  кг,  рабочее 
давление в баллонах поддерживается в диапазоне (6.9 ё 27.6) 105 Па. За  один 
цикл разрядного режима  расходуется  3.03  кг  реагентов  (условная  степень 
разрядки  33%).   Регулятор   постоянного   тока,   компенсирующий   падение 
напряжения на выходе ЭХГ, позволяет вдвое повысить ресурс ТЭ, который  может 
доходить до 10 лет. 
                              Список сокращений: 
ЭХП - электрохимический преобразователь; 
ЭХГ - электрохимический генератор; 
ТЭ   - топливный элемент; 
КЛА - космический летательный аппарат; 
АБ   - аккумуляторная батарея; 
АЭУ - автономная энергетическая установка; 
ФЭП - фотоэлектрические преобразователи; 
ИОМ - ионообменная мембрана; 
БТЭ  - батарея топливных элементов; 
ПХГ - подсистема хранения горючего; 
ПХО -   ==||==      ==||==    окислителя; 
ПОГ - ==||== обработки Г.; 
ПОО - ==||== ==||== O.; 
ППГ  - ==||== подачи Г.; 
ППО -  ==||== ==||== О.; 
ПОПР - ==||== отвода продуктов реакции; 
ПТО - ==||== теплоотвода; 
ПКА - ==||== контроля и автоматики; 
ППРЭ - ==||== потребления и регулирования электроэнергии; 
РЭУ - регенеративная электроэнергетическая установка. 
Литература:  Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины. 
М.:Энергоатомиздат, 1993.   |