Електрохімічні генератори

Електрохімічний генератор становить з себе джерело енергії, яке складається з батареї паливних елементів і систем, які забезпечують її нормальне функціонування при зміні навантаження і зовнішніх умов експлуатації.

На цей час відома значна кількість різних типів паливних елементів. Вони розподіляються по роду палива і стану електроліту, температур і тиску робочого процесу, виду електродів і інше:

– газоподібне,

рідинне чи тверде пальне (наприклад, водень, гідразін, вуглець, алюміній);

газоподібні чи рідинні окислювачі (наприклад, кисень, перекис водню,азотна

кислота);

– кислотні,

лужні, рідинні чи тверді електроліти, елементи з газообмінними мембранами;

– низькотемпературні (tp<=100-150°С), середньотемпературні (tp=200-300°С) а також високотемпературні (tp>300°С).

Для використання в космічній енергетиці більш за все розроблені водень-кисневі низько- і середнє температурні паливні елементи з лужним електролітом і іонообмінними мембранами.

Головне призначення електродів складається з забезпечення протікання електрохімічної реакції на межі поділу трьох фаз: твердого тіла (матеріал електроду неприйма участі в реакції), рідини (електроліт) і газу (компоненти H2 і О2).

Для прискорення швидкості реакції в матеріал електроду добавляють каталізатори (срібло, платину, паладій) До важливіших функцій каталізатора відносяться хемосорбція реагентів на поверхні електродів, ініційовання реакцій на межі поділу фаз за рахунок розщеплення адсорбованих молекул на атоми, зниження енергії іонізації. Крім того каталізатор повинен мати високу електронну провідність, а також сумісність з електролітом.

В паливних елементах з газовим паливом найбільше розповсюдження мають трьохфазні електроди, які являють собою пористі тіла у вигляді диска, циліндра, пластини та інше. Діаметр пор коливається від одиниць до десятків мкм, а товщина пластини 1 - 3 мм.

Тому як в електроліті містяться гідроксильні групи (ОН), то утворення води відбувається на аноді безпосередньо на межі поділу газ-рідина. Вода може розбавляти електроліт або випаровуватися.

Практично газодифузійні електроди виготовляють шляхом спікання порошкових матеріалів. Вони мають пори різного діаметра, при цьому доцільно з боку електроліту мати пористу структуру („запорний” шар) з діаметром пор до 2-3 мкм, а з боку газа – грубу структуру („робочий” шар) з діаметром пор 20-30 мкм. Для одержання необхідних потужностей послідовно поєднують декілька паливних лементів.

Звичайно до складу ЕХГ входять:

– система зберігання підготовки і підводу реагентів;

– система відводу продуктів реакції;

– система терморегулювання;

– система регулювання напруги.

При використанні ЕГ як автономного або резервного джерела енергії до його складу може входити система забезпечення режиму зберігання, що дозволяє зберігати електроди паливних елементів в неробочому стані під шаром інертних газів, наприклад, азоту.

Вибір реагентів визначається призначенням ЕХГ, його вартістю. терміном зберігання і відведення продуктів реакції, ступеню їх токсичності, а також такими об’єктивними показниками, як електродний потенціал,електрохімічна активність та електрохімічний еквівалент.

Електродний потенціал впливає на значення ЕРС паливного елементу. Аналіз електродних реакцій показує, що максимальної ЕРС можливо досягнути, якщо в якості пального використовувати літій, а окислювач – фтор. Однак в такому паливному елементі в якості електроліту можливо використовувати в основному розплавлені солі, що потребує підтримання високих температур і використання стійких до корозії металів.

По електрохімічній активності палива можливо розташувати в ряд:

Li, Na, Zn, Mg, Al, N2H4, H2,CH3OH, NH3, CO, CH4, C.

Тому як реакція взаємодії води з лужними металами йде з великими швидкостями, то в таких паливних елементах не можуть бути використанні водні електроліти.

Деякі метали, гідразін і водень окислюються з великими швидкостями вже при температурі t=20°C. Метанол СН3ОН може окислюватися з достатніми швидкостями тільки при наявності активних каталізаторів. А окис вуглецю СО і аміак NН3 потребує додаткового створення досить високої робочої температури (t=200°C).

Електрохімічний еквівалент впливає на економічність паливного елемента. Враховуючи, що по закону Фарадея для здобуття 1Ф кількості електроенергії необхідно витратити 1г водню.

При навантаженні паливного елемента напруга на його затискачах становиться менш ніж ЕРС за рахунок падіння напруги в електроліті і на електродах.

Падіння напруги в електроліті (кінетична поляризація) пов’язана з сповільнюванням електрохімічних реакцій і зміненням активних речовин біля електродів.

Кінетична поляризація може бути зменшена за рахунок збільшення швидкості хімічних реакцій. Це може бути здійснено підвищенням робочої температури процесу і використанням каталізаторів.

Поряд з тім, з ціллю виключення з робочого діапазону паливного елемента режиму насичення щільність струму повинна бути більше значення граничної щільності

Гранична щільність струму може бути збільшена шляхом підвищення тиску реагентів і зменшення товщини дифузійного шару за рахунок переміщування електроліту.

Робочу напругу і щільність струму вибирають з умовою забезпечення максимальної потужності і достатньо високого значення ККД.

Сучасні паливні елементи в основному використовують в якості пального водень, а окислювача – кисень.

Зберігання водню ускладнюється із-за великої його текучості і вибухонебезпечності. Тому доцільнішим є здобування водню з різних речовин (наприклад, аміаку, бензину, метанолу) в спеціальних генераторах (рис. 4.1).

З аміаку, який зберігається в балонах при тиску p=0,8-0,9 МПа і температурі t=20-25°C, водень здобувається за рахунок дисоціації в присутності залізного каталізатора і без попередньої очистки подається в батарею паливних елементів. Для забезпечення нормальної роботи ЕРХ при великих потужностях в схемі є пусковий ресивер, який поповнюється сумішшю (Н2+N2) на малих навантаженнях.

В схемі також передбачається регулятор видатку палива і регулятор тиску, який забезпечує

автоматичне управління здобуванням і подачею палива. Підігрівач забезпечує підтримання оптимальної температури (90-95°C) з умови протікання хімічної реакції.

В деяких випадках доцільно використати в електрохімічних генераторах кисень повітря. Для цього повинно здійснюватися його очищення від двоокису вуглеця, який в присутності луги може створювати неприємні для роботи електродів сполучення.

Для виведення води з зони реакції використовуються:

– дифузія пари води на поверхні з більш низьким парціальним тиском;

– стікання води під дією гравітаційних та капілярних сил;

– випаровування у потік газу;

– циркуляція електроліту.

Для відведення теплоти і забезпечення оптимальної температури паливних елементів використовують системи терморегулювання:

– конвекцією і теплопровідністю у навколишнє середовище;

– випаровуванням продуктів реакції;

– циркуляцією електроліту;

– циркуляцією реагентів;

– використанням в будованих в батарею паливних елементів теплообмінників.

Регулювання вихідного значення напруги може бути досягнено регулюванням окремих паливних елементів або батареї паливних елементів. В першому випадку змінюють величину поляризаційних витрат за рахунок змінення тиску і температури процесу або омічного опору паливного елемента. В другому випадку в залежності від значення струму навантаження змінюють кількість підключених паливних елементів.

Електрохімічні генератори вже широко використовуються в космосі. Безумовно, що в близький перспективі вони будуть використовуватися в якості автономних і резервних джерел енергії на електромобілях, при засвоєнні морів та океанів та в інших галузях народного господарства.

		3.Комбіновані силові установки. Для українців комбінована силова установка, або як її ще називають комбінований привід, ось уже багато років продовжує залишатися певною екзотикою, яким преса годує довірливих читачів. Тим часом і в Західній Європі, і в Штатах забезпечені КСУ моторолери та легкові автомобілі вже продаються, а рейсові автобуси цього типу можна зустріти на вулицях міст. Зрозуміло, використання комбінованого приводу не носить масового характеру. Взагалі кажучи, загальноприйнятий підхід до використання альтернативних ДВС силових установок здається досить дивним. Всі чомусь неодмінно хочуть використовувати їх на автомобілях, і обов'язково легкових. Але ця ідея поки не знаходить масового відгуку в серцях покупців. Не в останню чергу це пояснюється тим, що економія палива поки далеко не так велика, як це обіцяють розрахунки, а вартість машини помітно більше вартості звичайного автомобіля. Разом з тим є області, де застосування КСУ виглядає більш ніж привабливим. В першу чергу це відноситься до цехового транспорту та мобільного вантажної техніки. Особливо, якщо в якості накопичувача енергії буде використовуватися довговічне і нетоксичний пристрій, наприклад конденсаторне, а не традиційний акумулятор. Вже те, що відпадуть проблеми з оновленням батарей і утилізацією відпрацьованих акумуляторів і скорочення списку шкідливих виробництв на одну позицію (акумуляторний цех), обіцяє солідну економію. Необхідні для подібних машин компоненти в нашій країні вже існують, а відсутні можуть бути швидко створені. Правда, з огляду на положення у вітчизняній економіці, для організації виробництва швидше за все все-таки буде потрібно державна програма. З кожним роком екологічна ситуація в містах, особливо великих, погіршується. Основними джерелами забруднення є промислові підприємства і транспорт. Значна частина забруднень припадає на транспортні засоби, які експлуатуються в місті. Низькі динамічні характеристики беруть участь у дорожньому русі машин, особливо вантажних автомобілів і автобусів, поганий стан дорожнього покриття, відсутність науково обґрунтованого підходу до організації руху ведуть до зниження пропускної спроможності вулиць і магістралей, зниження середньотехнічну швидкості до 12 - 20 км / год (дані на 1997 рік). Все це, звичайно ж, не сприяє зменшенню викидів шкідливих речовин. На превеликий жаль, в нашій країні до теперішнього часу відсутня законодавча, матеріальна і організаційна база щодо екологізації господарської діяльності. Відсутній механізм стимулювання ресурсозбереження, впровадження екологічно чистих технологій і скорочення відходів виробництва. Однак розробки вітчизняних учених не тільки не поступаються, але нерідко і перевершують розробки зарубіжних колег. В цілому можна виділити три основні напрями щодо зменшення шкідливого впливу автомобільного транспорту на навколишнє середовище. На жаль, кожне з них не позбавлене деяких недоліків. Перший напрямок - установка на частини автомобілів і автобусів каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів, а також підвищення потужності двигунів при одночасному зниженні їх токсичності за рахунок використання турбонаддува. На жаль, ці заходи не в змозі зменшити витрату палива, знизити споживання повітря, скоротити енергетичне забруднення навколишнього середовища, вирішити проблему пропускної спроможності вулиць. Слід врахувати і ту обставину, що нейтралізатори дуже чутливі до якості палива і вимогливі до технічного стану двигуна. І якщо теоретично ці пристрої можуть знизити вміст у відпрацьованих газах шкідливих компонентів на 70 - 80%, то їх реальна ефективність виявиться трохи нижче. Другий напрямок - переведення транспорту на більш дешеві і менш токсичні палива: бензин - дизельне паливо, дизпаливо - природний газ (водень). Даний крок дозволить призупинити погіршення екологічної ситуації, але не дозволить повністю вирішити проблему. Третій напрям - активне впровадження транспортних засобів з акумуляторними батареями в якості джерела енергії. На жаль, такі машини за своїми експлуатаційними властивостями поки ще дуже далекі від машин з двигунами внутрішнього згоряння. Головна причина цього - акумуляторна батарея. Вона має велику масу (часом перевищує 50% маси всього транспортного засобу), високу вартість, порівнянну з вартістю всієї машини, низьку питому потужність, вкрай обмежений термін служби, вимагає значного часу на підзарядку. Крім того, її робочі характеристики істотно залежать від температури навколишнього середовища. При цьому загальний ККД системи «електростанція - автомобіль» не перевищує 10%. З точки зору екології акумуляторна батарея далеко не безневинна. Матеріали, що застосовуються для їх виготовлення, токсичні, а саме виробництво пов'язане з великим викидом шкідливих речовин в навколишнє середовище. Після закінчення терміну служби виникають серйозні проблеми з утилізацією. Перераховані недоліки електромобілів роблять зрозумілим прагнення розробників цілого ряду всесвітньо відомих фірм, а також наукових організацій до з'єднання достоїнств силових установок з електричним і тепловим двигуном. Воно досягається об'єднанням в одній комбінованої силовій установці (КСУ) електромотора і ДВС. Існують дві схеми виконання КСУ:   - Послідовна;   - Паралельна.   При послідовній схемі ДВС пускає в хід генератор, який живить електромотор або віддає надлишки енергії в накопичувач, з якого вона в міру потреби (наприклад, для інтенсивного розгону) витягується. При паралельній схемі ДВС і електричний мотор-генератор працюють на загальний вихідний вал. При цьому електрична машина в залежності від навантаження або додає свою потужність до потужності ДВС, або виробляє енергію для зарядки енергоакумулятора. Останнім часом все більшою популярністю користується поєднання цих двох схем, в якому теплової і електричний двигуни і генератор пов'язані між собою системою диференціальних механізмів. У процесі руху транспортний засіб споживає енергію вкрай нерівномірно. При розгоні витрата енергії максимальний. Більша її частина витрачається на подолання сил інерції. При рівномірному русі енергія витрачається на подолання опору коченню і опору повітря. Рух накатом відбувається за рахунок сил інерції. При гальмуванні кінетична енергія машини перетворюється в теплову в гальмівних механізмах і розсіюється. На зупинках енергія не витрачається зовсім. У звичайного автомобіля двигун працює у всіх п'яти випадках, при чому майже постійно в змінюваному режимі, вкрай несприятливому і по витраті палива, і по токсичності вихлопу, і по довговічності самого мотора. Для визначення витрати палива автобусом з КСУ візьмемо стандартний міський цикл руху (SAE j 227, «С»). Він включає в себе розгін з місця до 48 км / год протягом 18 с, рівномірний рух з цією швидкістю протягом 20 с, рух накатом, гальмування і зупинку, час якої становить 25 с. Час циклу 80 с, середня швидкість 25 км / ч, прохідний шлях - 540 метрів. Як показують розрахунки, для виконання одного циклу автобусу ЛіАЗ-5256 потрібно з урахуванням ККД трансмісії 1600 кДж. Значить, саме таку кількість енергії і повинен виробляти ДВС. При питомій витраті палива 200 г / кВтч (дизель, стаціонарний режим) витрата палива складе 24,4 л / 100 км; базова норма витрати палива для ЛіАЗ-5256 - 46 л / 100 км пробігу. При цьому працює в стаціонарному режимі двигун практично не забруднює повітря, а енергоакумуляторів не потрібно величезна ємність. Це дозволяє відмовитися від традиційних акумуляторів на користь накопичувачів іншого типу, наприклад, конденсаторних, набагато більш легких і яка відслужила, не меншим, ніж термін служби автобуса. Застосування КСУ на спеціалізованому транспорті (цеховому, комунальному, муніципальному) може істотно знизити витрати на його експлуатацію.