Электрохимические генераторы

Название: Электрохимические генераторы

Автор:  Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф.

Формат: djvu

Страниц: 450

Издатель: Энергоиздат

Описание

Излагаются основные проблемы теории и применения, возникающие в процессе исследования и конструирования электрохимических генераторов (ЭХГ). Рассматривается термодинамика процессов, некоторые вопросы динамики, дается описание реальных схем и трактов, обеспечивающих электротепломассообмен на электродах, описание самих электродов и других элементов структуры ЭХГ, рассматриваются особенности построения схем, специфика построения и испытания ЭХГ

Среди перспективных проблем энергетики важное место занимают проблемы непосредственного (безмашинного) преобразования химической энергии природных или синтезированных видов топлива в электричес­кую энергию. Актуальность этой проблемы очевидна, если учесть, что в настоящее время около 90% всей полез­ной энергии (электрической и механической) получается из тепловой энергии природного топлива, средний коэф­фициент преобразования которой в энергоустановках не превышает 25%. Известно, что КПД непосредственного преобразования химической энергии в электрическую в современных химических источниках тока в 2—3 раза больше указанного, однако энергия этих устройств огра­ничена конструктивным запасом активных материалов в них. Поэтому исследования, имеющие целью повыше­ние среднего коэффициента использования топлива при непрерывном процессе генерирования, экономически перспективны.

Имеется также ряд специфических эксплуатационных областей и условий, при которых затруднена или отсут­ствует возможность реализации обычных машинных схем преобразования (например, автономная эксплуатация энергетических устройств в условиях невесомости, отсут­ствия кислородсодержащей атмосферы, схемы автоном­ного электродвижения, требования экологии и др.); в этих областях схемы прямого преобразования уже се­годня оказываются предпочтительнее классических. Наи­более разработанными устройствами, реализующими схему непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, являются гальванические ба­тареи и аккумуляторы. Запас реагентов (окислителя и горючего) в них содержится в самой конструкции, что определяет ограниченный запас их энергосодержания. Эксплуатационные преимущества этих конструкций поэ­тому проявляются лишь при коротких отрезках времени энергообеспечения, где высокий КПД, являющийся достоинством схемы непосредственного преобразования, оказывает решающее влияние на массу и размеры энер­гоустановки (ЭУ). Следовательно, лишь на коротких режимах разряда резервные батареи и аккумуляторы имеют наименьшие массо-габаритные характеристики (при равной мощности и энергии), что открыло им ши­рокую дорогу в различных областях автономной энерге­тики. Долговременные схемы энергообеспечения, реали­зуемые, например, в тепловых машинах, хотя обладают относительно невысоким КПД, но на продолжительных режимах работы сохраняют свои преимущества. Элек­трохимические генераторы (ЭХГ), состоящие из батарей топливных элементов, систем автоматики и т. д. и рабо­тающие при постоянных температуре и давлении, имеют теоретический КПД, приближающийся к 100%, и имеют массо-габаритные преимущества в диапазоне 100— 10 000 ч. На созданных в СССР водородно-кислородных ЭХГ практический КПД достигает 70—75%. От других устройств, реализующих схему непосредственного пре­образования химической энергии в электрическую (галь­ванических элементов и аккумуляторов), ЭХГ сущест­венно отличаются тем, что в них реагенты (окислитель и горючее) содержатся не в самой конструкции, как у первых, что ограничивает запас их энергосодержания, а отдельно в резервуарах и подаются в генератор в мо­мент работы. Таким образом, схема обеспечения реаген­тами в ЭХГ сходна с машинными схемами, однако в них сохраняется присущий схеме прямого преобразования энергии высокий КПД.

Изложенные обстоятельства способствовали тому, что исследования по ЭХГ за последние годы существенно расширились. В США и СССР разработаны варианты ЭХГ на водороде и кислороде с щелочным и кислым электролитами для программы космических исследова­ний; в СССР создан ЭХГ на водороде и воздухе для транспортных систем и др. Разрабатываются ЭХГ на других активных компонентах и для более широкого круга задач. Исследования по созданию ЭХГ также раз­виваются в странах СЭВ, Англии, Японии, ФРГ, Италии и Франции. Как это часто бывает при решении сложных научных, технологических и конструктивных идей, раз­работка схем непосредственного преобразования хими­ческой энергии в электрическую стимулировала развитие ряда новых высокоэффективных технологических процес­сов, используемых в различных областях техники, а так­же появление новых физических представлений (напри­мер, актуальности интерпретации проблем электромаг­нитной природы катализа, явлений на поверхности и т. д.)-

Таким образом, современные проблемы прямого пре­образования химической энергии в электрическую охва­тывают широкий круг задач и базируются на использо­вании достижений многих отраслей знания. К новым также относятся нерешенные проблемы теории построе­ния и применения специфического математического аппа­рата для оптимизации электрогенерирующих устройств. Крайне трудоемкими оказались экспериментальные ис­следования, сопутствующие созданию новых электрохи­мических систем, проблемы моделирования и разработки новых конструкций, исследования электрических свойств поверхности, анизотропных нелинейных сред и т, п,