Электрохимические преобразователи энергии
1. Общиесведения.
К ЭХПбудем относитьэлектрохимическиегенераторы(ЭХГ), т.е. батареитопливныхэлементов(ТЭ) со вспомогательнымиустройствамии химическиеаккумуляторныебатареи. Топливнымэлементомназываетсяпрямой преобразовательхимическойэнергии вэлектрическую,в котором реакцияэлектрохимическогоокисленияпроисходитбез расходавеществаэлектродови электролита.Исходнымиреагентамислужат горючееи окислитель,обладающиезапасом энергиихимическихсвязей, котораяпреобразуетсяв энергиюпостоянногоэлектрическоготока (при полученииконечногохимическогопродуктавзаимодействиякомпонентовтоплива и выделениинекоторогоколичестватепловой энергии).В обращенномили регенераторномрежиме работыТЭ подведеннаяк нему электроэнергияпреобразуетсяв химическуюэнергию реагентовтоплива.
Аккумуляторнымэлементом,входящимв состав химическойАБ, называетсянакопительэлектрическойэнергии приее превращениив химическуюэнергию, которыйосуществляеттакже и обратноепреобразованиехимическойэнергии вэлектроэнергиюпри изменениисостава веществаэлектродови участииэлектролитав токообразующейреакции.
Характернымпоказателемтехническогокачества ЭХПслужит удельнаяэнергия W*на единицумассы преобразователя.Применяемыев ЭХГ различныеТЭ принципиальномогут работатьна горючеморганическогоили неорганическогосостава. Вкачествеокислителяиспользуютсяпреимущественнокислород O2,а также перекисьводорода H2O2,азотная кислотаHNO3,галогены Cl2,F2.При выборе рабочихтел ЭХГ учитывают:удельную энергию,конечные продуктыреакции, стоимость,агрегатноесостояниевеществ исвязаннуюс ним относительнуюмассу тары(контейнеров,баллонов) дляхранения реагентов,возможностьих непрерывногоподвода к электродам,скоростьэлектрохимическоговзаимодействия(при наличиикатализаторови при заданныхдиапазонахтемпературыи давления).Наиболе широкодля ЭХГ в качествегорючего применяетсяводород H2и гидразинN2O2в связи с ихвысокой активностью,легкостьюподвода и отводаконечныхпродуктовреакции, достаточновысокой удельнойэнергией. ИзвестныразработкиЭХГ с использованиемметана CH4,пропана C3H8,а также метанолаCH3OH,аммиака NH3,имеющих относительнонизкую стоимость.Представляютинтерес перспективныеразработкиполутопливныхэлементов (сподводом толькоокислителя)на основевстроенногов элементтвердотельногогорючего (металловZn, Al, Mg, Li и др.). Отдельныеразновидностикомпонентовтоплива относятсяк токсичнымвеществам,например, угарныйгаз CO, гидразин,аммиак, галогеныи т.п. Поэтомупредпочтительноиспользованиеводород-кислородныхЭХГ, в особенностидля автономныхбортовых объектов.Конечнымпродуктомреакции данныхЭХГ служатпары воды, этиЭХГ являютсяэкологическичистыми. Послесепарации иудаления электролитавода используетсяв системахжизнеобеспечения,в частностина КЛА, либонаправляетсядля полученияисходныхпродуктов реакции(H2и O2)в регенерационныхциклах.
ОбщимдостоинствомЭХГ на ТЭ являетсявысокий КПД.Применительнок автономнымобъектамсущественноезначение имеетбесшумностьработы ЭХГ,отсутствиемеханическиперемещающихсядеталей иизнашивающихсячастей. РесурсЭХГ определяетсяимеющимсязапасом топлива(в открытыхциклах) либодолговечностьювспомогательногооборудованияв циклах с регенерацией;ресурс ЭХГможет превосходить104ч.
Энергетическийуровень ЭХГпри мощностиАЭУ P=10 - 100 кВтхарактеризуетсяудельной энергиейW*=(1.5.. 2)*103кДж/кг на единицумассы генератора,заправленноготопливом. (Дляряда разновидностейхимическихАБ значениеW*на порядокменьше.) В перспективевозможно созданиеЭХГ мощностьюP=103кВт при КПД h=0.9.
НедостаткиЭХГ состоятв сложностиобеспечениясбалансированныхэлектрохимическихреакций и вотносительномалой удельноймощности P*наединицу массыгенератора.Без учета массызапаса топливапараметр P*=0.15.. 0.2 кВт/кг несколькониже, чем вхимическойАБ. Ввиду спецификиэлектрохимическихреакций изЭХГ нельзядостаточнобыстро вывестиэлектрическуюэнергию. Дляобеспечениясбалансированнойреакции в ЭХГнеобходимос помощьюспециальныхподсистемобеспечитьразделениеи дозированнуюподачу компонентовтоплива, а такженепрерывноеудаление конечныхпродуктовтокообразующейреакции. ПоказателиЭХГ достаточночувствительнык чистотехимреагентов,примеси существенноснижают эффективностьТЭ, их ресурс.
2. Областьприменения.
ПрименениеЭХГ нашли восновном дляэнергообеспеченияАЭУ, в том числеподвижных истационарных.Имеется значительныйопыт, накопленный,в частности,за рубежом(США), по использованиюЭХГ в разработкахдля космическихпрограмм "Апполон","Джеммини","Скайлеб","Спейс Шаттл"и др. Проводятсямногочисленныеразработкии исследованияпо применениюЭХГ для наземныхтранспортныхустановок,напримерэлектромобилей,а также дляморских судов.
Традиционноприменяемымво многихотраслях техникивидом ЭХП являютсяхимическиеАБ. Наиболеешироко распространенысравнительнонедорогиесвинцово-кислотныеАБ. Они достаточнодолговечныпо числу допустимыхциклов "заряд- разряд", но имеютсравнительнонизкую удельнуюэнергию (W***в 2 и 3 раза соответственно,но значительнодороже. Никель-кадмиевыеАБ существеннодолговечнее,чем свинцово-кислотные.Серебряно-цинковыеАБ отличаютсянебольшимчислом циклов"заряд - разряд",но обеспечиваютвысокий КПДh=0.75 при большойскорости разряда.
В последниегоды разработаныхимическиеАБ на основеаккумуляторныхэлементов сиспользованиемникеля, серы,натрия, литияи др. Никель-цинковыещелочные АБимеют W*>200кДж/кг, но ихдолговечностьмала. Повышениедолговечностидостигаетсяв газодиффузионныхникель-водородныхАБ, в которыхW*>250кДж/кг. Еще болеевысокий показатель(W*>500кДж/кг) имеютсерно-натриевыеАБ, но их ресурссоставляет100 - 200 циклов "заряд- разряд". Дальнейшееповышение W*теоретическидо значений103кДж/кг возможнов литиевыхАБ, но их недостаток- малый ресурсвследствиевысокой корозионнойактивностиLi.
Запасэнергии вхимическойАБ принятохарактеризоватьзарядной емкостью(в Ач или Кл),необходимоезначениекоторой зависитот мощностии времени работыпотребителейэлектроэнергии.ХимическиеАБ получилиширокое распространениена транспорте,в системахэлектростартерногозапуска авиационныхи автомобильныхдвигателей,в судовыхустановках,на электромобилях,во внутризаводскомэлектротранспорте,на электропогрузчикахи т.д.
В условияхКЛА всегдареализуетсяпараллельнаяработа химическойАБ с ФЭП. ПоследниепроизводятподзарядкуАБ в "дневные"часы. Для автономныхустановок,в том числена КЛА, целесообразнотакже сочетаниеФЭП с системой"электролизер- ЭХГ". Частьэнергии ФЭПв "дневные"часы затрачиваетсяна разложениеводы, а в "ночные"часы полученныеH2и O2обеспечиваютработу ЭХГ.
3. Физико- химическиепроцессы в ЭХГ
Как ив реакции горения(активируемого,например, зажиганием),стадии токообразующейэлектрохимическойреакции такжепротекаютодновременно,но локализованыв различныхобластяхвнутреннегопространстваТЭ. Основныеданные некоторыхприменяемыхна практикеТЭ приведеныв табл. 1. В качестветипового приметрарассмотримработу водород- кислородногоТЭ. Стехиометрическоеуравнениесуммарнойреакции:
имееттакой же вид,как при горении.Поясним устройствои принцип действияТЭ, в которомэлектрохимическаяреакция происходитна стыках трехфаз состояниявеществ: газообразной(восстановителяH2и окислителяO2),жидкостной(щелочногоэлектролита- раствора KOH) итвердой (пористыхметаллокерамическихэлектродов).Схема ТЭ показанана рис. 1а. Электродыанод 1 и катод2 выполнены изкомпозитногоматериала
Таблица1: Теоретическиезначенияудельных показателейТЭ для разработанныхЭХГ.
| Химические реагенты | Напря-жение элемента, В | Расходна единицу генерируемой энергии, г/МДж | Энергияна единицумассы 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:Сучетом влияниянеобратимыхэлектрохимическихпроцессов вреальных ТЭ удельныйрасход топливавозрастаетв 1.5 - 2 раза, а егоудельная энергияснижаетсяв 1.5 - 2 раза по сравнениюс соответствующимитеоретическимипоказателями,приведеннымив таблице.
(например,из графитовойкерамики сплатиновымкатализатором).Электроды 1 и2 отделены слоемэлектролита- раствора щелочиKOH, который непропускаетнейтральныемолекулы илиатомы газовводорода икислорода.Ионизированныегазы, например,ионы H+,могут дрейфоватьсквозь электролит.Корпус ТЭвыполняетсяиз титановогосплава 4, химическине взаимодействующегос KOH. Внешняя цепьТЭ замкнутасопротивлениемRннагрузки, котороеподключенок металлическимнаплавкам наэлектродах.
Газообразныекомпонентыхимическоготоплива - отдающийсвои электронывосстановительH2и присоединяющийэлектроныокислительO2- - непрерывноподводятсяпод избыточнымдавлением кпорам анодаи катода (рис.1а) из резервуаровс запасомреагентов.
1. Наповерхностяханода, смоченныхр-ром KOH, в электролитерастворяетсягазообразныйводород и абсорбируетсяна стенкахпор электрода.В растворегидроксид калиянаходится вдиссоциированномсостоянии:
Водородв присутствииионов OH-он легко отдаетэлектроны(окисляется),образуя воду:
а) б)
Рис. 1. Схемыводородно-кислородныхтопливныхэлементов:
а - с жидкимэлектролитом(растворомКОН); б - с ионообменноймембраной
2. На поверхностикатода аналогичныеявления приводятк реакциивосстановлениякислорода,который в присутствииводы отбираету этого электродаобразовавшиесясвободныеэлектроны:
В итогеэтих первойи второй стадий"холодногогорения" нааноде образуетсяизбыток электронов,а в примыкающемрастворе - недостатокионов гидроксилаOH-.На катоде жеимеется недостатокэлектронов,а в окружающемего электролите- избыток ионовH+.Вследствиеэтого протекаютследующие двестадии реакции.
3. По внешнемуучастку цепиот анода к катодучерез сопротивлениеRнпроходят электроны4e-,совершая полезнуюэлектрическуюработу (направлениетока I противоположноперемещениюэлектронов).
4. В электролитепроисходитдиффузия ионов4OH-с катода наанод и посредствомионного токазамыкаетсяэлектрическаяцепь (согласноуравнениюнепрерывностиполного токаdiv J = 0).
Еслисложить реакциидля первой ивторой стадии,получитсярезультирующееуравнениереакции
,конечнымпродуктомкоторой являетсявода. Избыточноеколичествопаров воды 2H2Oудаляют изТЭ, например,с помощью продувкис последующейсепарациейили выпариванием.Очищеннаяот паров электролита,вода можетнаправлятьсядля дальнейшейутилизации(рис. 1а).Сбалансированный ход реакцийна указанныхстадиях уповерхностейэлектродовопределяетсяравновесиемдавлений газовойи жидкостнойфаз: pr= pэ +pк;
здесьpr - внешнее давлениегазообразныхреагентов (водорода иликислорода ); pэ- гидростатическоедавлениеэлектролита; pк=(cos)/d-
егокапиллярноедавление впорах электродов; - поверхностноенатяжение (H/м); - угол смачиваемости;d - диаметр поры.
В изготовляемыхдвухслойнымиэлектродахЭХГ поры выполняютсяс различнымизначениями d.Слой, которыйобращен к газовойсреде(Н2илиО2)и содержитизмельченныйкатализатор( например, Pt), имееттолщину мми поры с мкм. В обращенномк KOH слое с ммпоры имеют dмкм. Давлениеpзменьше на
чем давление
которое препятствуетвытеканиюэлектролита.Нейтральныемолекулы илиатомы газообразныхкомпонентовпри этом значенииprтакже не могутпроникнутьв электролит,преодолев капилярныесилы. На поверхностиэлектродовобеспечиваетсяравновесиефаз, поэтомучерез KOH возможнотолько ионов,образовавшихсяв результатереакций.Нарядус KOH в ТЭ возможноиспользованиекислотногоэлектролита- раствора H2SO4.
Требующеесяиспарениеводы из элементовс жидкостнымэлектролитом,работающихпри давлении5Ч105Па и более,определяетэксплуатациюТЭ на среднетемпературном( 373 - 523 К ) или высокотемпературном( боле 523 К ) уровне,что обусловливаетнеобходимостьналичия в составеЭХГ ряда техническисложных вспомогательныхустройств.Для преодолениятаких затрудненийприменительнок АЭУ разработаныводород - кислородныеТЭ с ионообменнымимембранами(ИОМ) в видеквазитвердыхвеществ (гелей),разделяющихразнополярныеэлектроды вТЭ. ИзготовляютИОМ из фтороуглеродистогоаналога тефлона.На полимернойсетке - матрицезакрепленыионы, они могутобмениватьсяна другие ионы,присутствующиев межэлектроннойсреде. На практикедля ТЭ применяютИОМ с сульфатнымикатионами,например,
Посвоим функциямИОМ подобнаэлектролиту,она способнапротивостоятьвоздеймтвиюнейтральныхмолекул и атомовH2и O2.Схема ТЭ с ИОМприведена нарис. 1б. Пористыекерамическиеэлектроды 1 и2 прижаты к мембране3. Контактирующиес ИОМ поверхностианода и катодапокрыты каталитическимислоями металла.Принцип работыТЭ с ИОМ состоитв следующем.На анодеподводимыйгазообразныйводород ионизируетсяпо реакции:
.Ионыводорода подвлиянием градиентаих концентрациии соответствующегоэлектрическогополя перемещаютсясквозь ИОМ ккатоду, накотором протекаетреакция:
Электроны4e-через Rнпоступают ккатоду. Полученнаявода (H2O)nпод действиемградиента ееконцентрациивозвращаетсяк аноду. Двемолекулы воды(2H2O),образующиесяв элементарномакте реакции,необходимоотводить иззоны реакции,например, дренажнымустройством.При работе ТЭгель в ИОМ набухаети находится,как указывалось,в квазитвердомсостоянии.
КромеИОМ в ТЭ применяютсятакже капилярныемембраны типаволокнистыхматериалов,пропитанныхщелочнымэлектролитом(например, асбест).Принцип действияТЭ с капилярнымимембранамитакой же, какТЭ с жидкостнымэлектролитом.
В отдельныхустановкахвозможноиспользованиеЭХГ с ТЭ, работающимина другихкомпонентахтоплива, кромеH2- O2.Итоговаяэлектрохимическаяреакция окислениявосстановителяRed и восстановителяOx имеет в общемслучае вид
В ТЭимеет местовстречноедвижениеразнополярныхионов внутриэлектролитаи переход электроновот анода к катодупо сопротивлениюRн,замыкающемувнешнюю цепь.При этом осуществляетсяпрямое преобразованиеэнергии химическихсвязей Red и Ox вэлектрическуюэнергию. Конкретизациюобщей формызаписи токообразующихреакций рассмотримпримере окислениягидразинаN2H4.Реакция окислениягидразинаимеет местов ЭХГ малоймощности.
Анодноеокислениегидразина:
Катодноевосстановлениекислорода:
Суммарноестехиометрическоеуравнениереакции:
ГрафикзависимостиU от I
а) б)
Рис.2:Характеристикиводородно -кислородногоЭХГ:
а- общая формахарактеристикиии зависимостьполезной мощностиот тока;
б- аналоги внешнейхарактеристики- зависимостинапряжения от плотноститока для ТЭразличногоисполнения(1-с растворомэлектролита;2-с капилярноймембраной;3-с ИОМ при Т=355К; 4-с ИОМ при Т=313К).
ВнешняяхарактеристикаU=f(I).
Отклонениеот состоянияравновесияпри работе ТЭпрактическиприводит куменьшениюнапряженияи снижениюКПД по сравнениюс их термодинамическимизначениямивследствиеизмененияпотенциалакатода и анодапри прохождениитока в цепиТЭ. Совокупностьэтих явленийназываютполяризацией.При совершенииработы выхода(активации)из металлаэлектрода враствор электролитаэлектрон преодолеваетпотенциальныйбарьер, образованныйдвойным слоемразноименныхзарядов. Награнице "электрод- электролит"наблюдаетсяразличиеконцентрацийионизированныхреагентов.Электролити электродыимеют собственноевнутреннеесопротивление.Упрощенно,совместноевлияние перечисленныхэффектов можноучесть с помощьюпадения напряженияна нелинейномвнутреннемсопротивленииТЭ Rвн.При этом уравнениевнешней характеристикиприближеннозаписываетсяв виде
U = Eн- IRвн.
где Eн- ЭДС при нагрузке,учитывающаяактивационнуюи концентрационнуюполяризацию;сопротивлениеэлектролитаRэлпрактическиравно Rвни учитывает"омическую"поляризацию.
Общаяформа внешнейхарактеристикиЭХГ показанана рис. 2а. Большаякрутизна | dU /dI | при малых иповышенныхзначенияхтока обусловленасоответственнополяризациейактивацииэлектродов(участок 1) иприграничнойполяризациейконцентрации(участок 3). Линейныйучасток 2 сотносительномалой крутизной| dU / dI | отражаетвлияние в основном"омической"поляризации.На рис. 2б. приведеныаналоги внешниххарактеристикU = U(J) для конкретных
Рис.3: СхемыЭХГ:
а- последовательно-параллельноесоединениетопливных элементов;
б- упрощеннаяэлектрическаясхема замещения.
ТЭ. Геометрическаяплотность токаJ (на единицукажущейсяповерхностиэлектрода) можетпри кратковременныхрежимах достигать0.1 - 0.2 А/см2.
Электрическаясхема ЭХГ,построеннаяпо матричномупринципу, данана рис. 3а; (Iэ,Uэ- ток и напряжениеТЭ). Упрощеннаясхема замещенияТЭ представленнана рис. 3б. слипри T = const рассматриватьТЭ как линейныйэлемент спостояннымиэквивалентнымипараметрами
где Rн,Lн- сопротивлениеи индуктивностьнагрузки; Lэ,т- индуктивностьэлектродовитокоотводов,то процессразряда ТЭописываетсяуравнением:
Здесь
установившийсяток нагрузки;
эквивалентнаяпостояннаявремени. Электроэнергетическиеустановкина базе электрохимическихгенераторов.
ЭХГ вцелом кромебатареи ТЭи вспомогательногооборудованиявключает рядблоков, снабженныхвзаимнымипрямыми и обратнымисвязями дляобеспеченияфункционированияв заданномрежиме. МожноклассифицироватьЭХГ как техническуюсистему, состоящуюиз соответствующихподсистем.Укрупненнаясхема ЭХГ(рис. 4.) в качествеглавной подсистемысодержит батареютопливныхэлементовБТЭ, а такжеподсистемы:хранения горючего ПХГ и окислителяПХО; обработкигорючего ПОГи окислителяПОО; подачигорючего ППГи окислителяППО. Наряду сними имеютсяподсистемыотводов продуктовреакции ПОПР,теплоотводаПТО и подсистемаконтроля иавтоматикиПКА, котораясоединенадвустороннимисвязями сподсистемамиподачи и отвода.К подсистемепотребленияи регулированияэлектроэнергииППРЭ подключенаБТЭ.
Применительнок водород - кислородномуЭХГ в ПХГ, ПХОосуществляетсякриогенноехранение сжиженныхкомпонентовтоплива, в ПОГ,ПОО производитсянагрев H2и O2, которые вгазообразномсостоянииподводятся кППГ, ППО. Этиподсистемыпроизводятдозированнуюподачу реагентовпри заданныхпараметрах(давлении,температуре)в БТЭ, где происходитреакция электрохимическогоокисления.Удаление паровводы в ЭХГвыполняет ПОПР.Для ЭХГ, применяемыхна КЛА, важноезначение имеетПТО, содержащаяхолодильник- излучатель,к которомутепло доставляетсяс помощьюциркуляционныхустройств сжидкостнымтеплоносителем.
Для КЛАмногоразовогоиспользования"Спейс Шаттл"фирма "ДженералЭлектрик" (США)выполнила ЭХГс водород - кислороднымиТЭ, имеющимипозолоченныеэлектроды сплатиновымикатализаторами.Электродыразделены ИОМ,во избежаниевысушиваниякоторых организованотвод теплаот анода, чтосоздает движущийградиентконцентрациидля возвращенияH2Oк аноду. Отводводы - продуктареакции - реализованс помощьюавтоматическидействующейсхемы с микропористымсепаратороми волокнистымифитилями,выступающимииз сборки ТЭ.На рис. 5. данаупрощеннаяфункциональнаясхема подобногоЭХГ, в составекоторого находитсябатарея топливныхэлементовБТЭ из 76 ТЭ сИОМ.
Рис.4. Функциональнаясхема ЭХГ с ТЭна ИОМ ( 1 - теплообменник;2 - сепараторводы; 3 - блокувлажненияреагентов ирегулированиядавления воды;4 - компенсатордавления электролита;5, 6 насосы; 7 - излучательтепла; 8 - трактпродувки кислорода;9 - тракт отводаН2Ов сборный бак)
Две секцииБТЭ, имеющиепо 38 ТЭ, соединеныпараллельнои генерируютэлектрическуюмощность 5 кВт.Батарея размещенав цилиндрическомконтейнередиаметром0,33 м и габаритнойдлиной 0,94 м. Удельнаямасса БТЭ беззаправки равна11 кг/кВт. Экспериментыпоказали, чтосборка ТЭспособна работатьболее 5000 ч бездеградацииИОМ при температуредо 455 К.
На КЛАмногоразовогоиспользования"Буран" установленычетыре ЭХГмощностьюпо 10 кВт ( суммарнаямощность 40 кВт) серии "Фотон"на водород -кислородномтопливе H2- О2.Напряжениеодного генератора,состоящегоиз 128 топливныхэлементов,составляет29,2 В ( схема генераторасодержитчетырепараллельныеветви, в каждойиз которыхвключенопоследовательнопо 32 элемента).Масса ЭХГсоставляет145 кг, масса егоблока автоматики- 15 кг ( удельнаямасса 14,5 кг/кВт,а с учетомблока автоматики- 16 кг/кВт ). РесурсЭХГ равен 2000 ч,его КПД 62%
Для длительнойэксплуатациив АЭУ перспективныустановки,в которых ЭХГработает совместнос регенераторомкомпонентовтоплива, разлагающим воду на водороди кислород.Электролизводы требуетподведенияизвне энергиидля разрывавалентнойхимическойсвязи
Н - О - Н.При мощностяхменее 1 кВтцелесообразноинтегральноеисполнениеЭХГ и электролизераводы (ЭВ). Приболее высокихэлектрическихмощностяхЭХГ и электролизерводы в раздельномисполненииимеют лучшиетехнико-экономическиепоказатели,чем у интегральногоустройства.В зависимостиот вида подводимойк регенераторуР энергиипринципиальновозможны различныеспособы разложенияводы. ВысокимКПД отличаетсяэлектролизпри пропусканиичерез Н2Оэлектрическоготока: отношениетеплоты сгоранияполученноготоплива кэнергозатратамна выделениеН2и О2достигает70 - 80%. В особенностиэлектролизэффективендля АЭУ на КЛАпри использованииСолнца в качествеисточникапервичнойэнергии споследующимее преобразованиемв ФЭП.
Разложениеводы на Н2и О2можно реализоватьнепосредственнов ТЭ при пропусканиитока в обратномнаправлениипо отношениюк току генераторногорежима, используяпринцип обратимостиТЭ, которыйвыполняет рольэлектролизнойячейки. Притаком способерегенерациикомпонентовтоплива ресурсрегенеративногоТЭ ограниченобъемом резервуаровдля храненияН2и О2.ИзвестнырегенеративныеТЭ, в которыхполученныегазы Н2и О2хранятся впористых илигубчатыхустройствахвнутри ТЭ. Данныйтип ТЭ по принципудествия формальноаналогичегнхимическойАБ, причемэлектрическаяемкость регенеративногоТЭ определяетсяколичествомадсорбированныхгазов. Как иТЭ, возможновыполнениеэлектролизнойячейки с электролитом,ИОМ или капиллярноймембраной.Прикладываемоек электролизнойячейке приэлектролизенапряжениена 30 - 80% должнопревосходитьнапряжение,генерируемоеТЭ, посколькуполяризационныеэффекты вэлектролизнойячейке проявляютсясильнее, чемв ТЭ.
Регенеративнаяэлектроэнергетическаяустановка(РЭУ) космическойдолговременнойтехнологическойбазы включаетвосемь идентичныхмодулей данноготипа, средняяэнергетическаямощность каждогоиз которыхсоставляет12,5 кВт. Газовыебаллоны рассчитанына запас реагентовкг, рабочеедавление вбаллонахподдерживаетсяв диапазонеПа. За один циклразрядногорежима расходуется3.03 кг реагентов(условная степеньразрядки 33%). Регуляторпостоянноготока, компенсирующийпадение напряженияна выходе ЭХГ,позволяет вдвоеповысить ресурсТЭ, которыйможет доходитьдо 10 лет.
Списоксокращений:
ЭХП- электрохимическийпреобразователь;
ЭХГ- электрохимическийгенератор;
ТЭ - топливныйэлемент;
КЛА- космическийлетательныйаппарат;
АБ - аккумуляторнаябатарея;
АЭУ- автономнаяэнергетическаяустановка;
ФЭП- фотоэлектрическиепреобразователи;
ИОМ- ионообменнаямембрана;
БТЭ - батареятопливныхэлементов;
ПХГ- подсистемахранения горючего;
ПХО- ==||== ==||== окислителя;
ПОГ- ==||==обработкиГ.;
ПОО- ==||== ==||==O.;
ППГ - ==||==подачи Г.;
ППО- ==||====||== О.;
ПОПР- ==||== отводапродуктовреакции;
ПТО- ==||==теплоотвода;
ПКА- ==||==контроля иавтоматики;
ППРЭ- ==||==потребленияи регулированияэлектроэнергии;
РЭУ- регенеративнаяэлектроэнергетическаяустановка.
Литература: АлиевскийБ.Л. Специальныеэлектрическиемашины.
М.:Энергоатомиздат,1993.
Списокосновныхсокращений:
АБ - аккумуляторнаябатарея;
АЭУ - автономнаяэнергетическаяустановка;
БТЭ - батареятопливныхэлементов;
ИОМ - ионообменнаямембрана;
ПКА - подсистемаконтроля иавтоматики;
КЛА - космическийлетательныйаппарат;
ПОГ - подсистемаобработкигорючего;
ПОО - подсистемаобработкиокислителя;
ПОПР - подсистемаотвода продуктовреакции;
ППГ - подсистемаподачи горючего;
КПД - коэффицентполезногодейсвия;
ППО - подсистемаподачи окислителя;
ППРЭ - подсистемапотребленияи регулированияэлектроэнергии;
ПХГ - подсистемахранения горючего;
ПХО - подсистемахраненияокислителя;
ПТО - подсистематеплоотвода;
РЭУ - регенеративнаяэлектроэнергетическаяустановка;
ТЭ - топливныйэлемент;
ФЭП - фотоэлектрическиепреобразователи;
ЭХП - электрохимическийпреобразователь;
ЭХГ -электрохимическийгенератор.