использование широкого ассортимента материалов.
Повышение надежности связано, в первую очередь, с
тщательным входным контролем всего поступающего сырья и
используемых материалов.
Аккумуляторы Chloride Industrial Batteries выполнены по
технологии Pure Lead Technology (PLT). К ним относятся батареи
следующих типов:
CYCLON;
MONOBLOC;
GENESIS;
SBS.
Основа технологии PLT -- увеличение коэффициента
использования элементов конструкции и активных масс электродов.
Обычная конструкция аккумулятора обеспечивает их высокую
надежность за счет избыточности активной массы электродов,
электролита и токоведущих элементов. В них избыток реагентов и
электролита составляет 75...85% от теоретически необходимых
[5].
Чистые свинцовые решетки пластин впервые были применены
корпорацией Gates в 1973 г. (теперь Inc Hawker Energy
Products.). Основной особенностью технологии является чистота
материалов и использование более тонких пластин из чистого
свинца без снижения ресурса аккумулятора. Пластины
изготавливаются штамповкой с последующим прокатыванием. При
прокатывании происходит уплотнение свинца, закрытие пор и, как
следствие, высокая коррозионная стойкость решеток пластин.
В сравнении с аккумуляторами других производителей
впечатляет температурный диапазон работы (см. табл. t025).
Первоначально были разработаны аккумуляторы типа SBS,
которые появились в начале 1980 года. Они использовались в
авиации и аппаратуре связи. В 1989 году начали выпускаться
батареи серий Cyclon Monobloc и Genesis.
Пластины в этих аккумуляторах изготовлены из сплава олова
и свинца.
SBS -- батареи для широкого применения перекрывающие
диапазон емкостей от 7 до 350 Ач. Высокая плотность энергии
достигнута применением тонких намазных пластин, ионообменных
сепараторов и сорбированного электролита. Отличительной
особенностью SBS батарей является возможность быстрого
перезаряда, т.к. 99% газов рекомбинирует при заряде.
Они терпимы к глубокому разряду и могут работать в
циклическом и буферном режимах. Особенность конструкции
позволяет использовать аккумуляторы в широком диапазоне
температур. Верхний предел поднимается до 60oС при
использовании дополнительного стального кожуха.
Конструкция аккумуляторов Cyclon и Monobloc аналогична
аккумуляторам Планте (рис. p042). Их отличительной особенностью
является спиральное расположение намазных пластин. Они
устойчиво работают в циклическом режиме. Monobloc содержит в
одном корпусе несколько банок, откуда и произошло название
аккумулятора. Конструкция Genesis -- также моноблочная.
Технические характеристики аккумуляторов Genesis приведены в
табл. П1 приложения.
Батареи от Chloride Industrial Batteries в широком
ассортименте используются:
в аппаратуре связи;
в авиации;
в вычислительной технике;
в транспортных средствах;
в медицинском оборудовании;
в автономных возобновляемых источниках энергии.
Аккумуляторы Cyclon и Monobloc перекрывают диапазон малых
емкостей и предназначены, в основном, для маломощных переносных
устройств. Они хорошо работают в циклическом режиме и
неприхотливы.
Аккумуляторы Cyclon кроме цилиндрического исполнения могут
изготавливаться в заданных формах и габаритах для
малогабаритной аппаратуры под заказ. Эффективность рекомбинации
газов в них составляет 99,7%. Рабочее положение произвольное.
Клапан избыточного давления предохраняет батарею от взрыва и
срабатывает при давлении 50 МПа.
2.5. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии
топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с
большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое
устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения
топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Биохимики установили, что биологический
водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую
живую клетку [9].
Источником водорода в организме служит пища -- жиры, белки
и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в
конечноладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после
ряда химических превращений дают водород, присоединенный к
молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие,
соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс
соединения водорода с кислородом составляет основу
биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная
температура, нормальное давление, водная среда), химическая
энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую
(движение мышц), электричество (электрический скат), свет
(насекомые излучающие свет).
Человек в который раз повторил созданное природой
устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о
рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют
надежду на энергетическое будущее.
Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного
элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя
разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный
эффект -- электролизер вырабатывал электрический ток.
Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном
из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а
атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе
окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты
горения -- молекулы углекислого газа. Этот процесс идет
энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении,
приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их
температуры. Они начинают испускать свет -- появляется пламя.
Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:
C + O2 = CO2 + тепло.
В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую
энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и
окислителя. Этот обмен происходит хаотически.
Горение -- обмен электронов между атомами, а электрический
ток -- направленное движение электронов. Если в процессе
химической реакции заставить электроны совершать работу, то
температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны
отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают
свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к
реагирующим веществам на другом.
Основа любого ХИТ -- два электрода соединенные
электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см.
рис. p087) [10]. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны,
восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода
поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на
границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи
электроны подходят к катоду, на котором идет реакция
восстановления (присоединение электронов окислителем O2--).
Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.
В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической
системы:
газ (топливо, окислитель);
электролит (проводник ионов);
металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии
окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем,
процессы окисления и восстановления пространственно разделены
электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но
в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями
топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких
температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана
ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в
нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким
образом, ТЭ оказывается "всеядным".
Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо
необходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсии
органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная
схема электростанции на ТЭ, показанная на рис. p088, кроме
батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см
гл. 3.6) и вспомогательного оборудования включает блок
получения водорода.
Два направления развития ТЭ
Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая
энергетика.
Для автономного использования основными являются удельные
характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость
вырабатываемой энергии не является основным показателем.
Для большой энергетики решающим фактором является
экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными,
не содержать дорогих материалов и использовать природное
топливо при минимальных затратах на подготовку.
Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле.
Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При
непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия
последнего составит порядка 50%.
Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была
сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году.
Позднее получила развитие идея создания эффективных источников
автономной энергии на основе топливного элемента.
После этого предпринимались неоднократные попытки
использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е
годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный
прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного
окисления угля. В это же время исследовались
кислородно-водородные ТЭ.
В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую
кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была
громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4
МПа).
С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал
низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них
использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами.
В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых
катализаторов.
После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные
образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических
кораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками для
питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и
теплом.
Основными областями использования автономных установок с
ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов
объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос
применительно к большой энергетике.
Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних
газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют
"Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной
мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным
элементам проводит United Technology Corp.
В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для
крупномасштабного накопления энергии, например, получение
водорода (см. гл. 1). Возобновляемые источники энергии (солнце
и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное
использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо
без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной
форме.
Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и
недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их
эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей.
Один из вариантов электрохимического накопителя энергии --
топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами
(газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для
