есть третий тип ХИТ, в котором окислитель и восстановитель
непрерывно подаются, соответственно, к катоду и аноду, а
материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие
устройства называются топливными элементами (ТЭ) (см. гл. 2.5).
Первое практическое применение "новый" химический источник
тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150
лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными
характеристиками и КПД. В нем нет перемещающихся деталей, он
бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло. Топливный
элемент -- обратимое устройство, с помощью которого можно
вырабатывать топливо (разлагать воду на кислород и водород),
т.о. он может выполнять роль аккумулятора.
Практическое использование топливных элементов началось в
60-х годах с их использования на борту космических кораблей.
Американская корпорация United Technology затратила на
разработку ТЭ по проекту "Аполло" около 100 млн. долларов
(мощность созданной бортовой установки -- 2,5 кВт). В 1977 году
та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной
мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована
электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации
преимуществ "нового" способа получения электроэнергии.
Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого
использования ТЭ. От лабораторных исследований до широкого
внедрения в энергетике проходит около полувека. Критерием
широкого использования можно считать момент, когда новые
энергоустановки достигнут 10-процентной доли в общей мощности
отрасли. История развития энергетических установок в большой
энергетике позволяет оценить прогнозируемые сроки внедрения ТЭ.
Топливный элемент -- сверстник паровой турбины.
Лабораторные исследования паровых турбин начались в 70-х годах
прошлого века, их экспериментальные образцы возникли в первой
половине 80-х годов, демонстрационная модель создана в 1890
году, первая промышленная паротурбинная установка -- в 1895-м,
а 10-процентную долю в общей мощности электростанций турбины
обеспечили в 1910 году [2].
В атомной энергетике лабораторные исследования велись в
30-х годах, экспериментальная установка была создана в 1941
году, демонстрационная -- в 1953-м, первая промышленная атомная
электростанция -- в 1955-м, и лишь в 1978 году доля атомных
электростанций в энергетике СССР достигла 10%.
Примером современного маркетинга в энергетике служит
деятельность корпораций по завоеванию десятипроцентной доли
рынка. В настоящее время американская корпорация H Power Corp.
исследует, проектирует, и производит ТЭ. Electro-Chem-Technic и
Warsitz (США) производят и продают по низкой цене небольшие ТЭ,
главным образом, для школ, колледжей и университетов. Цель
состоит в том, чтобы сделать широко известными преимущества
основных принципов ТЭ. Энергетическая компания Brooklyn Union
(Канада) проводит испытания установочной партии ТЭ мощностью
200 кВт.
2.1. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Современная техника располагает целым рядом
электронакопительных устройств. Это -- свинцовые,
железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые,
серно-натриевые, медно-литиевые и другие типы аккумуляторов.
Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы.
Аккумуляторами называются химические источники тока,
предназначенные для многократного использования их активных
веществ, регенерируемых путем заряда.
Аккумуляторы являются химическими источниками
электрической энергии многоразового действия. Они состоят из
двух электродов (положительного и отрицательного), электролита
и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при
протекании химической реакции окисления-восстановления
электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные
процессы.
Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не
изобретено. Широкое распространение они получили благодаря
высокой надежности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что
в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят свое
значение как одних из самых удобных источников электрической
энергии.
Основным достоинством свинцовых аккумуляторов является
стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и
температуры. Напряжение аккумулятора -- это разность
потенциалов между полюсами при фиксированной нагрузке. В
зависимости от электрохимической системы напряжение на зажимах
аккумулятора составляет от 1,2 до 2 В.
Бытует ошибочное мнение, что основной сферой использования
свинца является производство боеприпасов. Ежегодно только на
свинцовые аккумуляторы расходуется немногим меньше половины
добываемого в мире свинца.
Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был
создан французским исследователем Г. Планте (в 1859 г.).
Электроды первого аккумулятора были изготовлены из листового
свинца, а сепаратором служило полотно. Вся конструкция
сворачивалась в спираль и вставлялась в емкость с 10% раствором
серной кислоты.
Для увеличения емкости такого аккумулятора проводили
многократные циклы заряда-разряда, чем формировали развитую
поверхность пластин. Для такой тренировки требовалось от 1000
часов до двух лет. В последствии поверхностные пластины
формировались гальваническим способом. Единственными
источниками энергии в то время были первичные элементы. От них
(в основном это были элементы Бунзена) осуществлялся заряд
аккумуляторов.
Зарядом аккумулятора называется превращение электрической
энергии в химическую, а разрядом -- химической в электрическую.
Процесс разряда -- явление обратное заряду, когда сам
аккумулятор отдает свой заряд во внешнюю электрическую цепь
потребителю электроэнергии.
Значительно увеличить емкость электродов удалось в 1880 г.
К. Фор стал изготавливать намазные электроды нанесением на
поверхность пластин окислов свинца. Уже в 1881 году Э. Фолькмар
предложил намазную решетку в качестве электродов. В том же году
Селлону был выдан патент согласно которому решетки Фолькмара
предлагалось изготавливать из сплава сурьмы и свинца.
Ускорению работ по совершенствованию свинцового
аккумулятора способствовало изобретение Эдисоном лампы
накаливания. В 1881 году по Сене ходила лодка с электрическим
двигателем и батареей аккумуляторов Планте. В том же году
создан электромобиль. Тогда же появились дешевые генераторы,
позволившие начать коммерческое использование аккумуляторов.
В Кронштадте разработки конструкции аккумулятора начались
в 1881 г., а уже в 1884-м на Неве прошел испытание
электрический катер. Он мог пройти 30 миль при скорости до 6
узлов.
К 1890 году в промышленно развитых странах
свинцово-кислотные аккумуляторы выпускались серийно. Первой
патенты Фора, Фолькмара и Селлона купила Electrical Power
Storage Company.
В 1900 году фирма VARTA выпустила стартерный аккумулятор
для запуска автомобильного двигателя. VARTA является
поставщиком заводов "Мерседес", "Фольксваген", "Ауди" и
"Опель".
В 1938 году, Леопольд Джунгфер основал фирму Baren.
Начиная с 1939 года фирмой были изготовлены батареи почти для
каждой области применения.
В 1942 году в Италии Гиулио Долсетта основал фирму FIAMM.
FIAMM выпускает стартерные, тяговые и стационарные аккумуляторы
(см. гл. 2.3).
С появлением электростанций понадобились мощные
стационарные аккумуляторы. На станциях постоянного тока они
служили дополнительным источником энергии в моменты пиковых
нагрузок. На станциях переменного тока стационарные
аккумуляторы используются для вспомогательных целей. Так
городские сети постоянного тока имели батареи аккумуляторов,
которые развивали в 1927 году мощность:
80000 кВт -- Берлин,
95000 кВт -- Нью-Йорк.
Кроме аварийного освещения их используют для средств
связи, в системах автоматики на железной дороге, в устройствах
охранной и пожарной сигнализации и пр. Для телефонных станций
они служили единственным источником постоянного напряжения.
Из большого разнообразия стационарных аккумуляторов,
которые обеспечивают питание нагрузок на время отключения
электроснабжения, в большей мере используются только свинцовые
и никель-кадмиевые аккумуляторы (см. табл. П4 приложения).
Основные черты свинцовый аккумулятор приобрел на рубеже
ХIХ...ХХ веков. Вместе с ними и проблемы, часть из которых не
решены по сегодняшний день. Конструкция аккумуляторов
непрерывно совершенствуется. Они давно являются объектом
пристального внимания изобретателей.
Критерием состояния отрасли промышленности являются
экономические показатели. На рис. p001 представлен объем продаж
стартерных аккумуляторов мировыми производителями.
Начиная с 1970 года выпускаются малоуходные (требующие
незначительного ухода) и герметизированные (необслуживаемые)
аккумуляторные батареи. В таких аккумуляторах используют
электроды с малым содержанием сурьмы -- не более 3%.
С использованием сорбированного и гелеобразного
электролита удалось получить герметизированный аккумулятор,
который может работать в любом положении. В качестве
загустителя электролита используется силикагель, алюмогель,
сульфат кальция и др. Примерно в это же время были разработаны
такие материалы для изготовления пластин, как медно-кальциевые
сплавы покрытые оксидом свинца, титановые, алюминиевые и медные
решетки.
Свинцовые аккумуляторы изготавливаются в различных
исполнениях в зависимости от области применения. Основные типы
-- стартерные, тяговые и стационарные аккумуляторы. Выпускаемые
серийно свинцово-кислотные аккумуляторы обладают емкостью от
0,5 до 12000 Ач.
Активные вещества аккумулятора заключены в положительном и
отрицательном электродах и электролите. Совокупность активных
веществ, применяемых в химическом источнике тока, называется
электрохимической системой.
Распространенные электрохимические системы стационарных
аккумуляторов приведены в табл. t032 [7].
В аккумуляторах находящихся в эксплуатации непрерывно
повторяется последовательность электрохимических
преобразований. Период заряда-разряда аккумулятора называют
циклом. С каждым циклом аккумуляторы изнашиваются.
Долговечность аккумулятора оценивают количеством циклов.
Долговечность аккумуляторов зависит от:
ресурса заложенного в электрохимическую систему и
конструкцию аккумулятора,
условий ввода в эксплуатацию;
условий эксплуатации.
Наиболее широкое применение, как более дешевые, получили
свинцовые аккумуляторы. Они обеспечивают срок службы до 20 лет,
что обусловлено соответствующим конструктивным исполнением.
Почти все свинцовые аккумуляторы используют так называемую
баночную конструкцию. При изготовлении корпусов используются:
эбонит, полипропилен, и т.п. Эти материалы стойки к длительному
воздействию серной кислоты.
Блок электродов каждой аккумуляторной ячейки помещается в
изолированной банке. Между электродами устанавливаются
сепараторы. Крайними всегда являются отрицательные электроды
(рис. p070). Горизонтальные перемычки, соединяющие одноименные
пластины в банке, называются баретками.
Во всех малоуходных аккумуляторах пластины приподняты над
дном. В образующемся пространстве скапливается шлам --
отделившаяся от электродов активная масса. В герметизированных
