Электрохимические генераторы
ЭДС одного ТЭ недостаточна для питания энергией тех или иных устройств, поэтому несколько элементов соединяют друг с другом в батарею. Для обеспечения непрерывной работы батареи ТЭ необходимы устройства для хранения и подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции из элемента.
Электрохимический генератор (ЭХГ) – это система, состоящая из батареи ТЭ, устройств для хранения и подвода топлива и окислителя, вывода из элемента продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры и напряжения.
ЭХГ входит в состав энергетической установки. Упрощенная схема ЭХГ приведена на рис.3.
Рис. 3. Упрощенная
схема ЭХГ.
В настоящее время наиболее разработаны кислородно-водородные ЭХГ и ЭХГ на основе систем: гидразин-воздух и гидразин-пероксид водорода. Удельная энергия ЭХГ на 1-2 порядка меньше, чем у выпускаемых промышленностью гальванических элементов и электрохимических аккумуляторов.
Практическое применение топливных элементов
По мнению специалистов, в ближайшие годы в области разработки ТЭ будет достигнут значительный прогресс, они найдут более широкое применение в различных отраслях промышленности и смогут конкурировать с традиционными электрическими генераторами. Применение ТЭ возможно в широком диапазоне мощностей: от мВт до МВт. Микромощности необходимы для имплантируемых медицинских аппаратов. Мощные энергоустановки на топливных элементах найдут применение в производстве электроэнергии для коммунальных нужд, в химической промышленности, для космических аппаратов и подводных лодок, для аккумулирования электрической энергии.
В середине 60-х годов в бортовых системах американских кораблей "Джемини" (орбитальные полеты вокруг Земли), "Аполлон" (высадка экспедиций на Луну), а позднее - в многоразовых системах "Спейс-Шаттл" успешно использовались среднетемпературные топливные элементы. При массе около 100 кг (без топлива и окислителя) эти источники давали напряжение около 30 B и мощность 2000 Вт и более.
В нашей стране первая энергоустановка на топливных элементах была разработана в 1970 году для планировавшегося в то время полета космонавтов на Луну. Позднее была создана система электропитания для многоразового орбитального пилотируемого корабля "Буран". В энергоустановку "Бурана" входит четыре ЭХГ "Фотон". Она имеет мощность 7-25 кВт, энергоемкость (запас энергии) - 2000 кВт.ч, сухую массу 2000 кг, массу компонентов топлива - 960 кг. В генераторе "Фотон" две батареи из 128 топливных элементов, в каждой батарее четыре параллельные группы по 32 элемента.
ЭХГ "Фотон" - чрезвычайно сложное устройство: кроме батарей в него входят системы подачи топлива и теплоносителя с многочисленными клапанами, регуляторами расходов и температур, объединенными в отдельный приборный блок. Блок автоматики управляет работой генератора. Топливо для энергоустановки - H2 и окислитель - O2 хранятся в жидком виде в специальных емкостях - криостатах, напоминающих по конструкции термос. Прежде, чем попасть на электроды топливных элементов, газы подогреваются до плюсовой температуры в теплообменнике - испарителе. Энергоустановка не только снабжает энергией системы корабля, но и отдает часть кислорода космонавтам, а при выработке каждого киловатт-часа электричества поставляет около 0,5 л чистейшей, годной для питья воды. В последние годы заметно повысился интерес к ТЭ для земной крупномасштабной энергетики. В США действует проект "Таржет" по созданию электростанций на ЭХГ небольшой мощности. КПД земного генератора (40%) меньше, чем у космического (60-70%), но не хуже, чем у мощных тепловых станций. К тому же в отличие от тепловых станций с шумными турбинами и вредными выбросами химический способ получения электричества бесшумен и экологически чист. Кроме того, ЭХГ можно поставить рядом с потребителем и не терять энергию в линиях электропередач.
С 1983 г. в США и Японии проходят испытания 46 электростанций на топливных элементах. Мощность каждой станции 40 кВТ. Не так давно завершились испытания двух станций мощностью 1000 кВт, и проектируются блоки мощностью 25 МВт. Создаются проекты энергоустановок, способных работать на продуктах газификации угля или на водороде, полученном с помощью установок, питаемых теплом солнечных или ядерных (термоядерных) источников. Наиболее благоприятные области применения станций на ЭХГ - это производство резины, стирола и этилена. Некоторые специалисты считают, что в 2000-2005 годах в США и Японии 13% всей потребляемой энергии будут вырабатывать станции на основе ЭХГ, а общая мощность всех таких электростанций в мире к 2010 году оценивается в миллион мегаватт. Предпринимаются попытки применять топливные элементы на транспорте. Исследовательскую и экспериментальную работу по замене двигателей внутреннего сгорания на ТЭ ведут такие компании, как «Дженерал электрик», «Дженерал моторс» (США), «Альстом» (Франция), «Эленко» (Бельгия-Голландия), Ядерный центр в Карлсруэ (ФРГ).