Электрохимические преобразователи энергии 1. Общие сведения. К ЭХП будем относить электрохимические генераторы (ЭХГ), т.е. батареи топливных элементов (ТЭ) со вспомогательными устройствами и химические аккумуляторные батареи. Топливным элементом называется прямой преобразователь химической энергии в электрическую, в котором реакция электрохимического окисления происходит без расхода вещества электродов и электролита. Исходными реагентами служат горючее и окислитель, обладающие запасом энергии химических связей, которая преобразуется в энергию постоянного электрического тока (при получении конечного химического продукта взаимодействия компонентов топлива и выделении некоторого количества тепловой энергии). В обращенном или регенераторном режиме работы ТЭ подведенная к нему электроэнергия преобразуется в химическую энергию реагентов топлива. Аккумуляторным элементом, входящим в состав химической АБ, называется накопитель электрической энергии при ее превращении в химическую энергию, который осуществляет также и обратное преобразование химической энергии в электроэнергию при изменении состава вещества электродов и участии электролита в токообразующей реакции. Характерным показателем технического качества ЭХП служит удельная энергия W* на единицу массы преобразователя. Применяемые в ЭХГ различные ТЭ принципиально могут работать на горючем органического или неорганического состава. В качестве окислителя используются преимущественно кислород O2, а также перекись водорода H2O2, азотная кислота HNO3, галогены Cl2, F2. При выборе рабочих тел ЭХГ учитывают: удельную энергию, конечные продукты реакции, стоимость, агрегатное состояние веществ и связанную с ним относительную массу тары (контейнеров, баллонов) для хранения реагентов, возможность их непрерывного подвода к электродам, скорость электрохимического взаимодействия (при наличии катализаторов и при заданных диапазонах температуры и давления). Наиболе широко для ЭХГ в качестве горючего применяется водород H2 и гидразин N2O2 в связи с их высокой активностью, легкостью подвода и отвода конечных продуктов реакции, достаточно высокой удельной энергией. Известны разработки ЭХГ с использованием метана CH4, пропана C3H8, а также метанола CH3OH, аммиака NH3, имеющих относительно низкую стоимость. Представляют интерес перспективные разработки полутопливных элементов (с подводом только окислителя) на основе встроенного в элемент твердотельного горючего (металлов Zn, Al, Mg, Li и др.). Отдельные разновидности компонентов топлива относятся к токсичным веществам, например, угарный газ CO, гидразин, аммиак, галогены и т.п. Поэтому предпочтительно использование водород-кислородных ЭХГ, в особенности для автономных бортовых объектов. Конечным продуктом реакции данных ЭХГ служат пары воды, эти ЭХГ являются экологически чистыми. После сепарации и удаления электролита вода используется в системах жизнеобеспечения, в частности на КЛА, либо направляется для получения исходных продуктов реакции (H2 и O2) в регенерационных циклах. Общим достоинством ЭХГ на ТЭ является высокий КПД. Применительно к автономным объектам существенное значение имеет бесшумность работы ЭХГ, отсутствие механически перемещающихся деталей и изнашивающихся частей. Ресурс ЭХГ определяется имеющимся запасом топлива (в открытых циклах) либо долговечностью вспомогательного оборудования в циклах с регенерацией; ресурс ЭХГ может превосходить 104 ч. Энергетический уровень ЭХГ при мощности АЭУ P=10 - 100 кВт характеризуется удельной энергией W*=(1.5 .. 2)*103 кДж/кг на единицу массы генератора, заправленного топливом. (Для ряда разновидностей химических АБ значение W* на порядок меньше.) В перспективе возможно создание ЭХГ мощностью P=103 кВт при КПД h=0.9. Недостатки ЭХГ состоят в сложности обеспечения сбалансированных электрохимических реакций и в относительно малой удельной мощности P* на единицу массы генератора. Без учета массы запаса топлива параметр P*=0.15 .. 0.2 кВт/кг несколько ниже, чем в химической АБ. Ввиду специфики электрохимических реакций из ЭХГ нельзя достаточно быстро вывести электрическую энергию. Для обеспечения сбалансированной реакции в ЭХГ необходимо с помощью специальных подсистем обеспечить разделение и дозированную подачу компонентов топлива, а также непрерывное удаление конечных продуктов токообразующей реакции. Показатели ЭХГ достаточно чувствительны к чистоте химреагентов, примеси существенно снижают эффективность ТЭ, их ресурс. 2. Область применения. Применение ЭХГ нашли в основном для энергообеспечения АЭУ, в том числе подвижных и стационарных. Имеется значительный опыт, накопленный, в частности, за рубежом (США), по использованию ЭХГ в разработках для космических программ "Апполон", "Джеммини", "Скайлеб", "Спейс Шаттл" и др. Проводятся многочисленные разработки и исследования по применению ЭХГ для наземных транспортных установок, например электромобилей, а также для морских судов. Традиционно применяемым во многих отраслях техники видом ЭХП являются химические АБ. Наиболее широко распространены сравнительно недорогие свинцово-кислотные АБ. Они достаточно долговечны по числу допустимых циклов "заряд - разряд", но имеют сравнительно низкую удельную энергию (W*<120 кДж/кг). Распространены также щелочные никель-железные и никель-кадмиевые АБ, для которых W*<150 кДж/кг. Для АЭУ разработаны никель-кадмиевые и серебряно-цинковые АБ. Они превосходят свинцово-кислотные АБ по W* в 2 и 3 раза соответственно, но значительно дороже. Никель-кадмиевые АБ существенно долговечнее, чем свинцово-кислотные. Серебряно-цинковые АБ отличаются небольшим числом циклов "заряд - разряд", но обеспечивают высокий КПД h=0.75 при большой скорости разряда. В последние годы разработаны химические АБ на основе аккумуляторных элементов с использованием никеля, серы, натрия, лития и др. Никель-цинковые щелочные АБ имеют W*>200 кДж/кг, но их долговечность мала. Повышение долговечности достигается в газодиффузионных никель-водородных АБ, в которых W*>250 кДж/кг. Еще более высокий показатель (W*>500 кДж/кг) имеют серно-натриевые АБ, но их ресурс составляет 100 - 200 циклов "заряд - разряд". Дальнейшее повышение W* теоретически до значений 103 кДж/кг возможно в литиевых АБ, но их недостаток - малый ресурс вследствие высокой корозионной активности Li. Запас энергии в химической АБ принято характеризовать зарядной емкостью (в Ач или Кл), необходимое значение которой зависит от мощности и времени работы потребителей электроэнергии. Химические АБ получили широкое распространение на транспорте, в системах электростартерного запуска авиационных и автомобильных двигателей, в судовых установках, на электромобилях, во внутризаводском электротранспорте, на электропогрузчиках и т.д. В условиях КЛА всегда реализуется параллельная работа химической АБ с ФЭП. Последние производят подзарядку АБ в "дневные" часы. Для автономных установок, в том числе на КЛА, целесообразно также сочетание ФЭП с системой "электролизер - ЭХГ". Часть энергии ФЭП в "дневные" часы затрачивается на разложение воды, а в "ночные" часы полученные H2 и O2 обеспечивают работу ЭХГ. 3. Физико - химические процессы в ЭХГ Как и в реакции горения (активируемого, например, зажиганием), стадии токообразующей электрохимической реакции также протекают одновременно, но локализованы в различных областях внутреннего пространства ТЭ. Основные данные некоторых применяемых на практике ТЭ приведены в табл. 1. В качестве типового приметра рассмотрим работу водород - кислородного ТЭ. Стехиометрическое уравнение суммарной реакции: имеет такой же вид, как при горении. Поясним устройство и принцип действия ТЭ, в котором электрохимическая реакция происходит на стыках трех фаз состояния веществ: газообразной (восстановителя H2 и окислителя O2), жидкостной (щелочного электролита - раствора KOH) и твердой (пористых металлокерамических электродов). Схема ТЭ показана на рис. 1а. Электроды анод 1 и катод 2 выполнены из композитного материала Таблица 1: Теоретические значения удельных показателей ТЭ для разработанных ЭХГ. Химические реагенты Напря-жение элемента, В Расход на единицу генерируемой энергии, г/МДж Энергия на единицу массы 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: С учетом влияния необратимых электрохимических процессов в реальных ТЭ удельный расход топлива возрастает в 1.5 - 2 раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза по сравнению с соответствующими теоретическими показателями, приведенными в таблице. (например, из графитовой керамики с платиновым катализатором). Электроды 1 и 2 отделены слоем электролита - раствора щелочи KOH, который не пропускает нейтральные молекулы или атомы газов водорода и кислорода. Ионизированные газы, например, ионы H+, могут дрейфовать сквозь электролит. Корпус ТЭ выполняется из титанового сплава 4, химически не взаимодействующего с KOH. Внешняя цепь ТЭ замкнута сопротивлением Rн нагрузки, которое подключено к металлическим наплавкам на электродах. Газообразные компоненты химического топлива - отдающий свои электроны восстановитель H2 и присоединяющий электроны окислитель O2 - - непрерывно подводятся под избыточным давлением к порам анода и катода (рис. 1а) из резервуаров с запасом реагентов. 1. На поверхностях анода, смоченных р-ром KOH, в электролите растворяется газообразный водород и абсорбируется на стенках пор электрода. В растворе гидроксид калия находится в диссоциированном состоянии: Водород в присутствии ионов OH- он легко отдает электроны (окисляется), образуя воду: а) б) Рис . 1. Схемы водородно-кислородных топливных элементов: а - с жидким электролитом (раствором КОН); б - с ионообменной мембраной 2. На поверхности катода аналогичные явления приводят к реакции восстановления кислорода, который в присутствии воды отбирает у этого электрода образовавшиеся свободные электроны: В итоге этих первой и второй стадий "холодного горения" на аноде образуется избыток электронов, а в примыкающем растворе - недостаток ионов гидроксила OH-. На катоде же имеется недостаток электронов, а в окружающем его электролите - избыток ионов H+. Вследствие этого протекают следующие две стадии реакции. 3. По внешнему участку цепи от анода к катоду через сопротивление Rн проходят электроны 4e-, совершая полезную электрическую работу (направление тока I противоположно перемещению электронов). 4. В электролите происходит диффузия ионов 4OH- с катода на анод и посредством ионного тока замыкается электрическая цепь (согласно уравнению непрерывности полного тока div J = 0). Если сложить реакции для первой и второй стадии, получится результирующее уравнение реакции , конечным продуктом которой является вода. Избыточное количество паров воды 2H2O удаляют из ТЭ, например, с помощью продувки с последующей сепарацией или выпариванием. Очищенная от паров электролита, вода может направляться для дальнейшей утилизации (рис. 1а). Сбалансированный ход реакций на указанных стадиях у поверхностей электродов определяется равновесием давлений газовой и жидкостной фаз: pr = pэ + pк ; здесь pr - внешнее давление газообразных реагентов ( водорода или кислорода ); pэ - гидростатическое давление электролита; pк =( cos)/d - его капиллярное давление в порах электродов;  - поверхностное натяжение (H/м);  - угол смачиваемости; d - диаметр поры. В изготовляемых двухслойными электродах ЭХГ поры выполняются с различными значениями d.Слой, который обращен к газовой среде(Н2 или О2) и содержит измельченный катализатор ( например, Pt), имеет толщину  мми поры с  мкм. В обращенном к KOH слое с мм поры имеют d мкм. Давление pз меньше на чем давление которое препятствует вытеканию электролита. Нейтральные молекулы или атомы газообразных компонентов при этом значении pr также не могут проникнуть в электролит, преодолев капилярные силы. На поверхности электродов обеспечивается равновесие фаз, поэтому через KOH возможно только ионов, образовавшихся в результате реакций. Наряду с KOH в ТЭ возможно использование кислотного электролита - раствора H2SO4. Требующееся испарение воды из элементов с жидкостным электролитом, работающих при давлении 5Ч105 Па и более, определяет эксплуатацию ТЭ на среднетемпературном ( 373 - 523 К ) или высокотемпературном ( боле 523 К ) уровне, что обусловливает необходимость наличия в составе ЭХГ ряда технически сложных вспомогательных устройств. Для преодоления таких затруднений применительно к АЭУ разработаны водород - кислородные ТЭ с ионообменными мембранами (ИОМ) в виде квазитвердых веществ (гелей), разделяющих разнополярные электроды в ТЭ. Изготовляют ИОМ из фтороуглеродистого аналога тефлона. На полимерной сетке - матрице закреплены ионы, они могут обмениваться на другие ионы, присутствующие в межэлектронной среде. На практике для ТЭ применяют ИОМ с сульфатными катионами, например, По своим функциям ИОМ подобна электролиту, она способна противостоять воздеймтвию нейтральных молекул и атомов H2 и O2. Схема ТЭ с ИОМ приведена на рис. 1б. Пористые керамические электроды 1 и 2 прижаты к мембране 3. Контактирующие с ИОМ поверхности анода и катода покрыты каталитическими слоями металла. Принцип работы ТЭ с ИОМ состоит в следующем. На аноде подводимый газообразный водород ионизируется по реакции: . Ионы водорода под влиянием градиента их концентрации и соответствующего электрического поля перемещаются сквозь ИОМ к катоду, на котором протекает реакция: Электроны 4e- через Rн поступают к катоду. Полученная вода (H2O)n под действием градиента ее концентрации возвращается к аноду. Две молекулы воды (2H2O), образующиеся в элементарном акте реакции, необходимо отводить из зоны реакции, например, дренажным устройством. При работе ТЭ гель в ИОМ набухает и находится, как указывалось, в квазитвердом состоянии. Кроме ИОМ в ТЭ применяются также капилярные мембраны типа волокнистых материалов, пропитанных щелочным электролитом (например, асбест). Принцип действия ТЭ с капилярными мембранами такой же, как ТЭ с жидкостным электролитом. В отдельных установках возможно использование ЭХГ с ТЭ, работающими на других компонентах топлива, кроме