Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

низкотемпературные топливные элементы со свободным (жидкий раствор КОН) и со связанным (пропитанная водным раствором КОН асбестовая мембрана) щелочным электролитом и топливные элементы с твердополимерной ионообменной (протонопроводящей) мембраной;

среднетемпературные топливные элементы с фосфорно-кислым электролитом (ТЭФК);

высокотемпературные топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРК) и с твердооксидным керамическим электролитом (ТЭТО).

Основные характеристики всех перечисленных типов топливных элементов приведены в табл. 1 [3, 4], которая дает наглядное представление об энергетической эффективности ЭЭУ. Рассмотрим основные типы ЭЭУ с топливными элементами.

Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов со щелочным электролитом

Топливные элементы со щелочным электролитом работают при относительно низкой температуре (60–120 OС) и потребляют в качестве топлива и окислителя соответственно водород и кислород высокой чистоты. В качестве окислителя в принципе возможно использование воздуха, очищенного от диоксида углерода и примесей, отравляющих катализатор топливного элемента.

В качестве электролита используется либо непосредственно жидкий раствор КОН, либо матрица, пропитанная раствором электролита (матричный электролит). Токообразующая реакция в водородно-кислородном топливном элементе со щелочным электролитом: 2Н2 + О2 = = 2Н2О. Т.о. единственным продуктом, образующимся при работе ЭХГ, является вода высокой чистоты, которая может быть использована для удовлетворения технологических и бытовых нужд. В 1950–1980-х годах в Англии, Германии, США, Франции и СССР проводились активные исследования и опытно-конструкторские работы по созданию ЭХГ с топливными элементами со свободным и связанным щелочным электролитом (ТЭЩЭ). В качестве электролита применялся раствор КОН, обладающий высокой электрической проводимостью.

Первая батарея ТЭЩЭ мощностью 5 кВт была сконструирована Ф. Беконом в Англии в 1952 году. Она работала при температуре 200 OС и давлении водорода и кислорода 2–4,5 МПа. Из-за высокого давления масса конструкционных материалов была очень велика, а ресурс батареи не превышал нескольких сотен часов [1].

В 1970–1980-х годах английская фирма Varta разработала и испытала несколько ЭЭУ мощностью от 0,1 до 5 кВт, имеющих ресурс около 4000 часов.

Впервые успешная попытка использования ЭЭУ с ЭХГ в качестве источника энергии для подводного аппарата была предпринята в США фирмой United Technologies Corp. (UTC), которая по заказу ВМС США создала в 1974 году ЭЭУ на базе ТЭЩЭ для подводной лодки «Дип квест», спроектированного фирмой «Локхид» [5]. В составе ЭЭУ были использованы водородно-кислородные топливные элементы со щелочным электролитом. Водород и кислород хранились в газообразном состоянии под давлением в стальных сферических емкостях.

Первый позитивный опыт американских фирм послужил толчком к активизации разработок ЭЭУ с ЭХГ в европейских странах, в первую очередь в ФРГ, которые в наибольшей степени заинтересованы в развитии подводных лодок с неатомной энергетикой.

Фирма Siemens в 1980-е годы на базе матричных водородно-кислородных ТЭ разработала транспортные ЭЭУ мощностью 6, 17,5 и 48 кВт, а также ЭЭУ для подводного аппарата мощностью более 300 кВт. ТЭ фирмы Siemens работали при температуре 95 оС, давлении водорода и кислорода 300 кПа и имели ресурс в пределах 10000 часов.

Параллельно с разработкой ЭХГ в Германии в 80-х годах были успешно решены технические вопросы по разработке систем хранения водорода и кислорода на борту подводной лодки. Эти исследовательские и опытно-конструкторские работы были выполнены консорциумом, созданным фирмами Howaldtswerke-deutche Werft AG (HDW), Ferrostaal AG (FS) и Inggenieurcontor Lubek (IKL). Проведенные вариантные проработки систем хранения водорода и кислорода показали, что наиболее приемлемыми вариантами являются: хранение кислорода в криогенном состоянии в специальных емкостях, а водорода – в адсорбированном виде в интерметаллидных (металлогидридных) соединениях [5]. Создание систем хранения водорода и кислорода таких типов представляло собой совершенно новую техническую задачу, так как опыт применения на подводных аппаратах такой техники отсутствовал.

На основании успешных результатов наземных испытаний Федеральное бюро ФРГ по военной технологии (BWB) вынесло решение об установке ЭЭУ с ЭХГ на подводных лодках проекта 205 (U-1). К корпусу была добавлена секция, содержащая энергоустановку с ЭХГ.

В 1988 г. модернизированная лодка сошла со стапелей и успешно прошла ходовые испытания [5].

В 90-х годах немецкие фирмы прекратили разработки корабельных ЭЭУ с ТЭЩЭ и сконцентрировались на создании ЭЭУ на базе ТЭ с твердополимерным электролитом (ТПТЭ).

В СССР (а затем в России) разработкой ЭЭУ с ТЭЩЭ для подводных лодок занималось ленинградско-петербургское ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения» (СКБК), назначенное правительством в 1978 году головным предприятием страны по ЭЭУ с ЭХГ для морских объектов. До 1986 года было разработано несколько типов энергоустановок с доведением их до макетных и опытных образцов основного оборудования.

В дальнейшем работы по одной из энергоустановок – ЭЭУ «Кристалл-20» с низкотемпературными ТЭ с жидким щелочным электролитом и газобаллонными системами хранения водорода и кислорода под давлением до 40 МПа мощностью 130 кВт были продолжены и завершены в полном объеме в 1991 году, ЭЭУ отработала в стендовых условиях и была сдана Госкомиссии [2, 6]. Продолжением работ ОАО «СКБК» по ЭЭУ явилась разработка энергоустановки с низкотемпературными ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 300 кВт – ЭЭУ «Кристалл-27» (рис. 3) [2].

Объем выполненных работ по состоянию на конец 2000 года составил около 70%, включая незавершенный технический проект ЭЭУ и значительный объем опытных работ по основным системам и оборудованию ЭЭУ.

В 2002 году на экспериментальной базе ОАО «СКБК» была создана действующая стендовая модель ЭЭУ на базе ТЭ со щелочным матричным электролитом, интерметаллидной системой хранения водорода и криогенной системой хранения кислорода мощностью 25 кВт и проведены демонстрационные испытания, результаты которых позволили рекомендовать разработанную ЭЭУ к использованию в качестве энергоустановки для малой подводной лодки.

ЭЭУ на базе ТЭЩЭ также были разработаны для энергоснабжения пилотируемых космических объектов. В США такие ЭЭУ были созданы фирмой UTC [1], а в России – Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) совместно с Российской космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева [1, 7]. Эти ЭЭУ отличаются от корабельных меньшей мощностью, энергоемкостью и ресурсом ТЭ.

Анализ литературных источников свидетельствует о том, что к началу 1990-х годов большинство фирм и исследователей, работавших в области создания ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭЩЭ, эти работы прекратили. Это объясняется следующими причинами: необходимостью использования чистого водорода и кислорода, применения в больших количествах платиновых катализаторов, относительно невысоким ресурсом, сложностью использования низкопотенциальной теплоты, генерируемой в ТЭ, и в конечном счете высокими капитальными затратами (ориентировочная стоимость 1 кВт установленной мощности ЭЭУ составляет более 10000 долларов США).

В последнее время, например в [1], сообщается о возобновлении работ по использованию созданных для космических целей ЭХГ для электромобилей на базе автомобилей «Нива» и «Бычок» (совместные работы УЭХК, РКК «Энергия», ОАО «АвтоВАЗ» и ОАО «ЗИЛ»).

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: доклад на тему физика, реферат на тему жизнь.



Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки