Электрохимические преобразователи энергии

Сдавался/использовался	1. МАИ, 1994г.
	Загрузить архив:
	Файл: ehpmy.zip (227kb [zip], Скачиваний: 98) скачать

Ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ïðåîáðàçîâàòåëè ýíåðãèè.

1. Îáùèå ñâåäåíèÿ.

Ê ÝÕÏ áóäåì îòíîñèòü ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ãåíåðàòîðû (ÝÕÃ), ò.å. áàòàðåè òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ (ÒÝ) ñî âñïîìîãàòåëüíûìè óñòðîéñòâàìè è õèìè÷åñêèå àêêóìóëÿòîðíûå áàòàðåè. Òîïëèâíûì ýëåìåíòîì íàçûâàåòñÿ ïðÿìîé ïðåîáðàçîâàòåëü õèìè÷åñêîé ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ, â êîòîðîì ðåàêöèÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî îêèñëåíèÿ ïðîèñõîäèò áåç ðàñõîäà âåùåñòâà ýëåêòðîäîâ è ýëåêòðîëèòà. Èñõîäíûìè ðåàãåíòàìè ñëóæàò ãîðþ÷åå è îêèñëèòåëü, îáëàäàþùèå çàïàñîì ýíåðãèè õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé, êîòîðàÿ ïðåîáðàçóåòñÿ â ýíåðãèþ ïîñòîÿííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà (ïðè ïîëó÷åíèè êîíå÷íîãî õèìè÷åñêîãî ïðîäóêòà âçàèìîäåéñòâèÿ êîìïîíåíòîâ òîïëèâà è âûäåëåíèè íåêîòîðîãî êîëè÷åñòâà òåïëîâîé ýíåðãèè).  îáðàùåííîì èëè ðåãåíåðàòîðíîì ðåæèìå ðàáîòû ÒÝ ïîäâåäåííàÿ ê íåìó ýëåêòðîýíåðãèÿ ïðåîáðàçóåòñÿ â õèìè÷åñêóþ ýíåðãèþ ðåàãåíòîâ òîïëèâà.

   Àêêóìóëÿòîðíûì ýëåìåíòîì, âõîäÿùèì â ñîñòàâ õèìè÷åñêîé ÀÁ, íàçûâàåòñÿ íàêîïèòåëü ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ïðè åå ïðåâðàùåíèè â õèìè÷åñêóþ ýíåðãèþ, êîòîðûé îñóùåñòâëÿåò òàêæå è îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå õèìè÷åñêîé ýíåðãèè â ýëåêòðîýíåðãèþ ïðè èçìåíåíèè ñîñòàâà âåùåñòâà ýëåêòðîäîâ è ó÷àñòèè ýëåêòðîëèòà â òîêîîáðàçóþùåé ðåàêöèè.

   Õàðàêòåðíûì ïîêàçàòåëåì òåõíè÷åñêîãî êà÷åñòâà ÝÕÏ ñëóæèò óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ W*íà åäèíèöó ìàññû ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Ïðèìåíÿåìûå â ÝÕà ðàçëè÷íûå ÒÝ ïðèíöèïèàëüíî ìîãóò ðàáîòàòü íà ãîðþ÷åì îðãàíè÷åñêîãî èëè íåîðãàíè÷åñêîãî ñîñòàâà.  êà÷åñòâå îêèñëèòåëÿ èñïîëüçóþòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî êèñëîðîä O2, à òàêæå ïåðåêèñü âîäîðîäà H2O2, àçîòíàÿ êèñëîòà HNO3, ãàëîãåíû Cl2, F2. Ïðè âûáîðå ðàáî÷èõ òåë ÝÕà ó÷èòûâàþò: óäåëüíóþ ýíåðãèþ, êîíå÷íûå ïðîäóêòû ðåàêöèè, ñòîèìîñòü, àãðåãàòíîå ñîñòîÿíèå âåùåñòâ è ñâÿçàííóþ ñ íèì îòíîñèòåëüíóþ ìàññó òàðû (êîíòåéíåðîâ, áàëëîíîâ) äëÿ õðàíåíèÿ ðåàãåíòîâ, âîçìîæíîñòü èõ íåïðåðûâíîãî ïîäâîäà ê ýëåêòðîäàì, ñêîðîñòü ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (ïðè íàëè÷èè êàòàëèçàòîðîâ è ïðè çàäàííûõ äèàïàçîíàõ òåìïåðàòóðû è äàâëåíèÿ). Íàèáîëå øèðîêî äëÿ ÝÕà â êà÷åñòâå ãîðþ÷åãî ïðèìåíÿåòñÿ âîäîðîä H2è ãèäðàçèí N2O2â ñâÿçè ñ èõ âûñîêîé àêòèâíîñòüþ, ëåãêîñòüþ ïîäâîäà è îòâîäà êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè, äîñòàòî÷íî âûñîêîé óäåëüíîé ýíåðãèåé. Èçâåñòíû ðàçðàáîòêè ÝÕà ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòàíà CH4, ïðîïàíà C3H8, à òàêæå ìåòàíîëà CH3OH, àììèàêà NH3, èìåþùèõ îòíîñèòåëüíî íèçêóþ ñòîèìîñòü. Ïðåäñòàâëÿþò èíòåðåñ ïåðñïåêòèâíûå ðàçðàáîòêè ïîëóòîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ (ñ ïîäâîäîì òîëüêî îêèñëèòåëÿ) íà îñíîâå âñòðîåííîãî â ýëåìåíò òâåðäîòåëüíîãî ãîðþ÷åãî (ìåòàëëîâ Zn, Al, Mg, Li è äð.). Îòäåëüíûå ðàçíîâèäíîñòè êîìïîíåíòîâ òîïëèâà îòíîñÿòñÿ ê òîêñè÷íûì âåùåñòâàì, íàïðèìåð, óãàðíûé ãàç CO, ãèäðàçèí, àììèàê, ãàëîãåíû è ò.ï. Ïîýòîìó ïðåäïî÷òèòåëüíî èñïîëüçîâàíèå âîäîðîä-êèñëîðîäíûõ ÝÕÃ, â îñîáåííîñòè äëÿ àâòîíîìíûõ áîðòîâûõ îáúåêòîâ. Êîíå÷íûì ïðîäóêòîì ðåàêöèè äàííûõ ÝÕà ñëóæàò ïàðû âîäû, ýòè ÝÕà ÿâëÿþòñÿ ýêîëîãè÷åñêè ÷èñòûìè. Ïîñëå ñåïàðàöèè è óäàëåíèÿ ýëåêòðîëèòà âîäà èñïîëüçóåòñÿ â ñèñòåìàõ æèçíåîáåñïå÷åíèÿ, â ÷àñòíîñòè íà ÊËÀ, ëèáî íàïðàâëÿåòñÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ èñõîäíûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè (H2è O2) â ðåãåíåðàöèîííûõ öèêëàõ.

   Îáùèì äîñòîèíñòâîì ÝÕà íà ÒÝ ÿâëÿåòñÿ âûñîêèé ÊÏÄ. Ïðèìåíèòåëüíî ê àâòîíîìíûì îáúåêòàì ñóùåñòâåííîå çíà÷åíèå èìååò áåñøóìíîñòü ðàáîòû ÝÕÃ, îòñóòñòâèå ìåõàíè÷åñêè ïåðåìåùàþùèõñÿ äåòàëåé è èçíàøèâàþùèõñÿ ÷àñòåé. Ðåñóðñ ÝÕà îïðåäåëÿåòñÿ èìåþùèìñÿ çàïàñîì òîïëèâà (â îòêðûòûõ öèêëàõ) ëèáî äîëãîâå÷íîñòüþ âñïîìîãàòåëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ â öèêëàõ ñ     ðåãåíåðàöèåé; ðåñóðñ ÝÕà ìîæåò ïðåâîñõîäèòü 104÷.

   Ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü ÝÕà ïðè ìîùíîñòè ÀÝÓ P=10 - 100 êÂò õàðàêòåðèçóåòñÿ óäåëüíîé ýíåðãèåé W*=(1.5 .. 2)*103êÄæ/êã íà åäèíèöó ìàññû ãåíåðàòîðà, çàïðàâëåííîãî òîïëèâîì. (Äëÿ ðÿäà ðàçíîâèäíîñòåé õèìè÷åñêèõ ÀÁ çíà÷åíèå W*íà ïîðÿäîê ìåíüøå.)  ïåðñïåêòèâå âîçìîæíî ñîçäàíèå ÝÕà ìîùíîñòüþ P=103êÂò ïðè ÊÏÄ h=0.9.

   Íåäîñòàòêè ÝÕà ñîñòîÿò â ñëîæíîñòè îáåñïå÷åíèÿ ñáàëàíñèðîâàííûõ ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèé è â îòíîñèòåëüíî ìàëîé óäåëüíîé ìîùíîñòè P* íà åäèíèöó ìàññû ãåíåðàòîðà. Áåç ó÷åòà ìàññû çàïàñà òîïëèâà ïàðàìåòð P*=0.15 .. 0.2 êÂò/êã íåñêîëüêî íèæå, ÷åì â õèìè÷åñêîé ÀÁ. Ââèäó ñïåöèôèêè ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèé èç ÝÕà íåëüçÿ äîñòàòî÷íî áûñòðî âûâåñòè ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñáàëàíñèðîâàííîé ðåàêöèè â ÝÕà íåîáõîäèìî ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíûõ ïîäñèñòåì îáåñïå÷èòü ðàçäåëåíèå è äîçèðîâàííóþ ïîäà÷ó êîìïîíåíòîâ òîïëèâà, à òàêæå íåïðåðûâíîå óäàëåíèå êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ òîêîîáðàçóþùåé ðåàêöèè. Ïîêàçàòåëè ÝÕà äîñòàòî÷íî ÷óâñòâèòåëüíû ê ÷èñòîòå õèìðåàãåíòîâ, ïðèìåñè ñóùåñòâåííî ñíèæàþò ýôôåêòèâíîñòü ÒÝ, èõ ðåñóðñ.

  

2. Îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ.

   Ïðèìåíåíèå ÝÕà íàøëè â îñíîâíîì äëÿ ýíåðãîîáåñïå÷åíèÿ ÀÝÓ, â òîì ÷èñëå ïîäâèæíûõ è ñòàöèîíàðíûõ. Èìååòñÿ çíà÷èòåëüíûé îïûò, íàêîïëåííûé, â ÷àñòíîñòè, çà ðóáåæîì (ÑØÀ), ïî èñïîëüçîâàíèþ ÝÕà â ðàçðàáîòêàõ äëÿ êîñìè÷åñêèõ ïðîãðàìì "Àïïîëîí", "Äæåììèíè", "Ñêàéëåá", "Ñïåéñ Øàòòë" è äð. Ïðîâîäÿòñÿ ìíîãî÷èñëåííûå ðàçðàáîòêè è èññëåäîâàíèÿ ïî ïðèìåíåíèþ ÝÕà äëÿ íàçåìíûõ òðàíñïîðòíûõ óñòàíîâîê, íàïðèìåð ýëåêòðîìîáèëåé, à òàêæå äëÿ ìîðñêèõ ñóäîâ.

   Òðàäèöèîííî ïðèìåíÿåìûì âî ìíîãèõ îòðàñëÿõ òåõíèêè âèäîì ÝÕÏ ÿâëÿþòñÿ õèìè÷åñêèå ÀÁ. Íàèáîëåå øèðîêî ðàñïðîñòðàíåíû ñðàâíèòåëüíî íåäîðîãèå ñâèíöîâî-êèñëîòíûå ÀÁ. Îíè äîñòàòî÷íî äîëãîâå÷íû ïî ÷èñëó äîïóñòèìûõ öèêëîâ "çàðÿä - ðàçðÿä", íî èìåþò ñðàâíèòåëüíî íèçêóþ óäåëüíóþ ýíåðãèþ (W*<120 êÄæ/êã). Ðàñïðîñòðàíåíû òàêæå ùåëî÷íûå íèêåëü-æåëåçíûå è íèêåëü-êàäìèåâûå ÀÁ, äëÿ êîòîðûõ W*<150 êÄæ/êã. Äëÿ ÀÝÓ ðàçðàáîòàíû íèêåëü-êàäìèåâûå è ñåðåáðÿíî-öèíêîâûå ÀÁ. Îíè ïðåâîñõîäÿò ñâèíöîâî-êèñëîòíûå ÀÁ ïî W*â 2 è 3 ðàçà ñîîòâåòñòâåííî, íî çíà÷èòåëüíî äîðîæå. Íèêåëü-êàäìèåâûå ÀÁ ñóùåñòâåííî äîëãîâå÷íåå, ÷åì ñâèíöîâî-êèñëîòíûå. Ñåðåáðÿíî-öèíêîâûå ÀÁ îòëè÷àþòñÿ íåáîëüøèì ÷èñëîì öèêëîâ "çàðÿä - ðàçðÿä", íî îáåñïå÷èâàþò âûñîêèé ÊÏÄ h=0.75 ïðè áîëüøîé ñêîðîñòè ðàçðÿäà.

    ïîñëåäíèå ãîäû ðàçðàáîòàíû õèìè÷åñêèå ÀÁ íà îñíîâå àêêóìóëÿòîðíûõ ýëåìåíòîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì íèêåëÿ, ñåðû, íàòðèÿ, ëèòèÿ è äð. Íèêåëü-öèíêîâûå ùåëî÷íûå ÀÁ èìåþò W*>200 êÄæ/êã, íî èõ äîëãîâå÷íîñòü ìàëà. Ïîâûøåíèå äîëãîâå÷íîñòè äîñòèãàåòñÿ â ãàçîäèôôóçèîííûõ íèêåëü-âîäîðîäíûõ ÀÁ, â êîòîðûõ W*>250 êÄæ/êã. Åùå áîëåå âûñîêèé ïîêàçàòåëü (W*>500 êÄæ/êã) èìåþò ñåðíî-íàòðèåâûå ÀÁ, íî èõ ðåñóðñ ñîñòàâëÿåò 100 - 200 öèêëîâ "çàðÿä - ðàçðÿä". Äàëüíåéøåå ïîâûøåíèå W*òåîðåòè÷åñêè äî çíà÷åíèé 103êÄæ/êã âîçìîæíî â ëèòèåâûõ ÀÁ, íî èõ íåäîñòàòîê - ìàëûé ðåñóðñ âñëåäñòâèå âûñîêîé êîðîçèîííîé àêòèâíîñòè Li.

   Çàïàñ ýíåðãèè â õèìè÷åñêîé ÀÁ ïðèíÿòî õàðàêòåðèçîâàòü çàðÿäíîé åìêîñòüþ (â À÷ èëè Êë), íåîáõîäèìîå çíà÷åíèå êîòîðîé çàâèñèò îò ìîùíîñòè è âðåìåíè ðàáîòû ïîòðåáèòåëåé ýëåêòðîýíåðãèè. Õèìè÷åñêèå ÀÁ ïîëó÷èëè øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå íà òðàíñïîðòå, â ñèñòåìàõ ýëåêòðîñòàðòåðíîãî çàïóñêà àâèàöèîííûõ è àâòîìîáèëüíûõ äâèãàòåëåé, â ñóäîâûõ óñòàíîâêàõ, íà ýëåêòðîìîáèëÿõ, âî âíóòðèçàâîäñêîì ýëåêòðîòðàíñïîðòå, íà ýëåêòðîïîãðóç÷èêàõ è ò.ä.

    óñëîâèÿõ ÊËÀ âñåãäà ðåàëèçóåòñÿ ïàðàëëåëüíàÿ ðàáîòà õèìè÷åñêîé ÀÁ ñ ÔÝÏ. Ïîñëåäíèå ïðîèçâîäÿò ïîäçàðÿäêó ÀÁ â "äíåâíûå" ÷àñû. Äëÿ àâòîíîìíûõ óñòàíîâîê, â òîì ÷èñëå íà ÊËÀ, öåëåñîîáðàçíî òàêæå ñî÷åòàíèå ÔÝÏ ñ ñèñòåìîé "ýëåêòðîëèçåð - ÝÕÃ". ×àñòü ýíåðãèè ÔÝÏ â "äíåâíûå" ÷àñû çàòðà÷èâàåòñÿ íà ðàçëîæåíèå âîäû, à â "íî÷íûå" ÷àñû ïîëó÷åííûå H2è O2îáåñïå÷èâàþò ðàáîòó ÝÕÃ.

3. Ôèçèêî - õèìè÷åñêèå ïðîöåññû â ÝÕÃ

   Êàê è â ðåàêöèè ãîðåíèÿ (àêòèâèðóåìîãî, íàïðèìåð, çàæèãàíèåì), ñòàäèè òîêîîáðàçóþùåé ýëåêòðîõèìè÷åñêîé ðåàêöèè òàêæå ïðîòåêàþò îäíîâðåìåííî, íî ëîêàëèçîâàíû â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ âíóòðåííåãî ïðîñòðàíñòâà ÒÝ. Îñíîâíûå äàííûå íåêîòîðûõ ïðèìåíÿåìûõ íà ïðàêòèêå ÒÝ ïðèâåäåíû â òàáë. 1.  êà÷åñòâå òèïîâîãî ïðèìåòðà ðàññìîòðèì ðàáîòó âîäîðîä - êèñëîðîäíîãî ÒÝ. Ñòåõèîìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ñóììàðíîé ðåàêöèè:

      

        

èìååò òàêîé æå âèä, êàê ïðè ãîðåíèè. Ïîÿñíèì óñòðîéñòâî è ïðèíöèï äåéñòâèÿ ÒÝ, â êîòîðîì ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ ïðîèñõîäèò íà ñòûêàõ òðåõ ôàç ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâ: ãàçîîáðàçíîé (âîññòàíîâèòåëÿ H2è îêèñëèòåëÿ O2), æèäêîñòíîé (ùåëî÷íîãî ýëåêòðîëèòà - ðàñòâîðà KOH) è òâåðäîé (ïîðèñòûõ ìåòàëëîêåðàìè÷åñêèõ ýëåêòðîäîâ). Ñõåìà ÒÝ ïîêàçàíà íà ðèñ. 1à. Ýëåêòðîäû àíîä 1 è êàòîä 2 âûïîëíåíû èç êîìïîçèòíîãî ìàòåðèàëà

Òàáëèöà 1:  Òåîðåòè÷åñêèå çíà÷åíèÿ óäåëüíûõ ïîêàçàòåëåé ÒÝ äëÿ ðàçðàáîòàííûõ ÝÕÃ.

Õèìè÷åñêèå     ðåàãåíòû	Íàïðÿ-æåíèå ýëåìåíòà,     Â	Ðàñõîä íà åäèíèöó  ãåíåðèðóåìîé         ýíåðãèè,ã/ÌÄæ	Ýíåðãèÿ íà åäèíèöó ìàññû òîïëèâà, êÄæ/êã
		ãîðþ÷åãî	îêèñëèòåëÿ	òîïëèâà
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

Ïðèìå÷àíèå: Ñ ó÷åòîì âëèÿíèÿ íåîáðàòèìûõ ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ðåàëüíûõ ÒÝ        óäåëüíûé ðàñõîä òîïëèâà âîçðàñòàåò â 1.5 - 2 ðàçà, à åãî óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ ñíèæàåòñÿ â 1.5 - 2 ðàçà ïî ñðàâíåíèþ ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè òåîðåòè÷åñêèìè ïîêàçàòåëÿìè, ïðèâåäåííûìè â òàáëèöå.

(íàïðèìåð, èç ãðàôèòîâîé êåðàìèêè ñ ïëàòèíîâûì êàòàëèçàòîðîì). Ýëåêòðîäû 1 è 2 îòäåëåíû ñëîåì ýëåêòðîëèòà - ðàñòâîðà ùåëî÷è KOH, êîòîðûé íå ïðîïóñêàåò íåéòðàëüíûå ìîëåêóëû èëè àòîìû ãàçîâ âîäîðîäà è êèñëîðîäà. Èîíèçèðîâàííûå ãàçû, íàïðèìåð, èîíû H+, ìîãóò äðåéôîâàòü ñêâîçü ýëåêòðîëèò. Êîðïóñ ÒÝ âûïîëíÿåòñÿ èç òèòàíîâîãî ñïëàâà 4, õèìè÷åñêè íå âçàèìîäåéñòâóþùåãî ñ KOH. Âíåøíÿÿ öåïü ÒÝ çàìêíóòà ñîïðîòèâëåíèåì Rííàãðóçêè, êîòîðîå ïîäêëþ÷åíî ê ìåòàëëè÷åñêèì íàïëàâêàì íà ýëåêòðîäàõ.

   Ãàçîîáðàçíûå êîìïîíåíòû õèìè÷åñêîãî òîïëèâà - îòäàþùèé ñâîè ýëåêòðîíû âîññòàíîâèòåëü H2è ïðèñîåäèíÿþùèé ýëåêòðîíû îêèñëèòåëü O2- - íåïðåðûâíî ïîäâîäÿòñÿ ïîä èçáûòî÷íûì äàâëåíèåì ê ïîðàì àíîäà è êàòîäà (ðèñ. 1à) èç ðåçåðâóàðîâ ñ çàïàñîì ðåàãåíòîâ.

   1. Íà ïîâåðõíîñòÿõ àíîäà, ñìî÷åííûõ ð-ðîì KOH, â ýëåêòðîëèòå ðàñòâîðÿåòñÿ ãàçîîáðàçíûé âîäîðîä è àáñîðáèðóåòñÿ íà ñòåíêàõ ïîð ýëåêòðîäà.  ðàñòâîðå ãèäðîêñèä êàëèÿ íàõîäèòñÿ â äèññîöèèðîâàííîì ñîñòîÿíèè:

  

                                    

   Âîäîðîä â ïðèñóòñòâèè èîíîâ OH-îí ëåãêî îòäàåò ýëåêòðîíû (îêèñëÿåòñÿ), îáðàçóÿ âîäó:

                           

                                  

  

                  à)                                                           á)

Ðèñ . 1.Ñõåìû âîäîðîäíî-êèñëîðîäíûõ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ:

à - ñ æèäêèì ýëåêòðîëèòîì (ðàñòâîðîì ÊÎÍ); á - ñ èîíîîáìåííîé ìåìáðàíîé

2. Íà ïîâåðõíîñòè êàòîäà àíàëîãè÷íûå ÿâëåíèÿ ïðèâîäÿò ê ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ êèñëîðîäà, êîòîðûé â ïðèñóòñòâèè âîäû îòáèðàåò ó ýòîãî ýëåêòðîäà îáðàçîâàâøèåñÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû:

                     

   Â èòîãå ýòèõ ïåðâîé è âòîðîé ñòàäèé "õîëîäíîãî ãîðåíèÿ" íà àíîäå îáðàçóåòñÿ èçáûòîê ýëåêòðîíîâ, à â ïðèìûêàþùåì ðàñòâîðå - íåäîñòàòîê èîíîâ ãèäðîêñèëà OH-. Íà êàòîäå æå èìååòñÿ íåäîñòàòîê ýëåêòðîíîâ, à â îêðóæàþùåì åãî ýëåêòðîëèòå - èçáûòîê èîíîâ H+. Âñëåäñòâèå ýòîãî ïðîòåêàþò ñëåäóþùèå äâå ñòàäèè ðåàêöèè.

   3. Ïî âíåøíåìó ó÷àñòêó öåïè îò àíîäà ê êàòîäó ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå Ríïðîõîäÿò ýëåêòðîíû 4e-, ñîâåðøàÿ ïîëåçíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ðàáîòó (íàïðàâëåíèå òîêà I ïðîòèâîïîëîæíî ïåðåìåùåíèþ ýëåêòðîíîâ).

   4.  ýëåêòðîëèòå ïðîèñõîäèò äèôôóçèÿ èîíîâ 4OH-ñ êàòîäàíà àíîä è ïîñðåäñòâîì èîííîãî òîêà çàìûêàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ öåïü (ñîãëàñíî óðàâíåíèþ íåïðåðûâíîñòè ïîëíîãî òîêà div J = 0).       

   Åñëè ñëîæèòü ðåàêöèè äëÿ ïåðâîé è âòîðîé ñòàäèè, ïîëó÷èòñÿ ðåçóëüòèðóþùåå óðàâíåíèå ðåàêöèè 2O óäàëÿþò èç ÒÝ, íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ ïðîäóâêè ñ ïîñëåäóþùåé ñåïàðàöèåé èëè âûïàðèâàíèåì. Î÷èùåííàÿ îò ïàðîâ ýëåêòðîëèòà, âîäà ìîæåò íàïðàâëÿòüñÿ äëÿ äàëüíåéøåé óòèëèçàöèè (ðèñ. 1à).

        Ñáàëàíñèðîâàííûéõîä ðåàêöèé íà óêàçàííûõ ñòàäèÿõ ó ïîâåðõíîñòåé ýëåêòðîäîâ îïðåäåëÿåòñÿ ðàâíîâåñèåì äàâëåíèé ãàçîâîé è æèäêîñòíîé ôàç:                                    pr= pý + pê;

çäåñü pr- âíåøíåå äàâëåíèå ãàçîîáðàçíûõ ðåàãåíòîâ ( âîäîðîäà èëè êèñëîðîäà ); pý- ãèäðîñòàòè÷åñêîå äàâëåíèå ýëåêòðîëèòà;pê=(s cosq)/d -

åãî êàïèëëÿðíîå äàâëåíèå â ïîðàõ ýëåêòðîäîâ;s -  ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå(H/ì); q- óãîë ñìà÷èâàåìîñòè; d- äèàìåòð ïîðû.

        èçãîòîâëÿåìûõ äâóõñëîéíûìè ýëåêòðîäàõ ÝÕà ïîðû âûïîëíÿþòñÿ ñ ðàçëè÷íûìè çíà÷åíèÿìèd.Ñëîé, êîòîðûé îáðàùåí ê ãàçîâîé ñðåäå(Í2 èëè Î2) è ñîäåðæèò èçìåëü÷åííûé êàòàëèçàòîð ( íàïðèìåð, Pt), èìååò òîëùèíó d»0.5 ¸ 0.6 ììè ïîðû ñ d»30 ¸ 50 ìêì.  îáðàùåííîì ê KOH ñëîå ñìì ïîðû èìåþò d ìêì. Äàâëåíèå pçìåíüøå íà

÷åì äàâëåíèå êîòîðîå ïðåïÿòñòâóåò âûòåêàíèþ ýëåêòðîëèòà. Íåéòðàëüíûå ìîëåêóëû èëè àòîìû ãàçîîáðàçíûõ êîìïîíåíòîâ ïðè ýòîì çíà÷åíèè pròàêæå íå ìîãóò ïðîíèêíóòü â ýëåêòðîëèò, ïðåîäîëåâ êàïèëÿðíûå ñèëû. Íà ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîäîâ îáåñïå÷èâàåòñÿ ðàâíîâåñèå ôàç, ïîýòîìó ÷åðåç KOH âîçìîæíî òîëüêî èîíîâ, îáðàçîâàâøèõñÿ â ðåçóëüòàòå ðåàêöèé.

   Íàðÿäó ñ KOH â ÒÝ âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå êèñëîòíîãî ýëåêòðîëèòà - ðàñòâîðà H2SO4.

   Òðåáóþùååñÿ èñïàðåíèå âîäû èç ýëåìåíòîâ ñ æèäêîñòíûì ýëåêòðîëèòîì, ðàáîòàþùèõ ïðè äàâëåíèè 5×105Ïà è áîëåå, îïðåäåëÿåò ýêñïëóàòàöèþ ÒÝ íà ñðåäíåòåìïåðàòóðíîì ( 373 - 523 Ê ) èëè âûñîêîòåìïåðàòóðíîì ( áîëå 523 Ê ) óðîâíå, ÷òî îáóñëîâëèâàåò íåîáõîäèìîñòü íàëè÷èÿ â ñîñòàâå ÝÕà ðÿäà òåõíè÷åñêè ñëîæíûõ âñïîìîãàòåëüíûõ óñòðîéñòâ. Äëÿ ïðåîäîëåíèÿ òàêèõ çàòðóäíåíèé ïðèìåíèòåëüíî ê ÀÝÓ ðàçðàáîòàíû âîäîðîä - êèñëîðîäíûå ÒÝ ñ èîíîîáìåííûìè ìåìáðàíàìè (ÈÎÌ) â âèäå êâàçèòâåðäûõ âåùåñòâ (ãåëåé), ðàçäåëÿþùèõ ðàçíîïîëÿðíûå ýëåêòðîäû â ÒÝ. Èçãîòîâëÿþò ÈÎÌ èç ôòîðîóãëåðîäèñòîãî àíàëîãà òåôëîíà. Íà ïîëèìåðíîé ñåòêå - ìàòðèöå çàêðåïëåíû èîíû, îíè ìîãóò îáìåíèâàòüñÿ íà äðóãèå èîíû, ïðèñóòñòâóþùèå â ìåæýëåêòðîííîé ñðåäå. Íà ïðàêòèêå äëÿ ÒÝ ïðèìåíÿþò ÈÎÌ ñ ñóëüôàòíûìè êàòèîíàìè, íàïðèìåð,

2è O2. Ñõåìà ÒÝ ñ ÈÎÌ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 1á. Ïîðèñòûå êåðàìè÷åñêèå ýëåêòðîäû 1 è 2 ïðèæàòû ê ìåìáðàíå 3. Êîíòàêòèðóþùèå ñ ÈÎÌ ïîâåðõíîñòè àíîäà è êàòîäà ïîêðûòû êàòàëèòè÷åñêèìè ñëîÿìè ìåòàëëà. Ïðèíöèï ðàáîòû ÒÝ ñ ÈÎÌ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì.

   Íà àíîäå ïîäâîäèìûé ãàçîîáðàçíûé âîäîðîä èîíèçèðóåòñÿ ïî ðåàêöèè:

                           

   Èîíû âîäîðîäà ïîä âëèÿíèåì ãðàäèåíòà èõ êîíöåíòðàöèè è ñîîòâåòñòâóþùåãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ïåðåìåùàþòñÿ ñêâîçü ÈÎÌ ê êàòîäó, íà êîòîðîì ïðîòåêàåò ðåàêöèÿ:

                             

   Ýëåêòðîíû 4e-÷åðåç Ríïîñòóïàþò ê êàòîäó. Ïîëó÷åííàÿ âîäà (H2O)nïîä äåéñòâèåì ãðàäèåíòà åå êîíöåíòðàöèè âîçâðàùàåòñÿ ê àíîäó. Äâå ìîëåêóëû âîäû (2H2O), îáðàçóþùèåñÿ â ýëåìåíòàðíîì àêòå ðåàêöèè, íåîáõîäèìî îòâîäèòü èç çîíû ðåàêöèè, íàïðèìåð, äðåíàæíûì óñòðîéñòâîì. Ïðè ðàáîòå ÒÝ ãåëü â ÈÎÌ íàáóõàåò è íàõîäèòñÿ, êàê óêàçûâàëîñü, â êâàçèòâåðäîì ñîñòîÿíèè.

   Êðîìå ÈÎÌ â ÒÝ ïðèìåíÿþòñÿ òàêæå êàïèëÿðíûå ìåìáðàíû òèïà âîëîêíèñòûõ ìàòåðèàëîâ, ïðîïèòàííûõ ùåëî÷íûì ýëåêòðîëèòîì (íàïðèìåð, àñáåñò). Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ÒÝ ñ êàïèëÿðíûìè ìåìáðàíàìè òàêîé æå, êàê ÒÝ ñ æèäêîñòíûì ýëåêòðîëèòîì.

     îòäåëüíûõ óñòàíîâêàõ âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå ÝÕà ñ ÒÝ, ðàáîòàþùèìè íà äðóãèõ êîìïîíåíòàõ òîïëèâà, êðîìå H2- O2. Èòîãîâàÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ âîññòàíîâèòåëÿ Red è âîññòàíîâèòåëÿ Ox èìååò â îáùåì ñëó÷àå âèä

                                   

    ÒÝ èìååò ìåñòî âñòðå÷íîå äâèæåíèå ðàçíîïîëÿðíûõ èîíîâ âíóòðè ýëåêòðîëèòà è ïåðåõîä ýëåêòðîíîâ îò àíîäà ê êàòîäó ïî ñîïðîòèâëåíèþ Rí, çàìûêàþùåìó âíåøíþþ öåïü. Ïðè ýòîì îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðÿìîå ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé Red è Ox â ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Êîíêðåòèçàöèþ îáùåé ôîðìû çàïèñè òîêîîáðàçóþùèõ ðåàêöèé ðàññìîòðèì ïðèìåðå îêèñëåíèÿ ãèäðàçèíà N2H4. Ðåàêöèÿ îêèñëåíèÿ ãèäðàçèíà èìååò ìåñòî â ÝÕà ìàëîé ìîùíîñòè.

   Àíîäíîå îêèñëåíèå ãèäðàçèíà:

                

                               

   Êàòîäíîå âîññòàíîâëåíèå êèñëîðîäà:

                             

            

   Ñóììàðíîå ñòåõèîìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ðåàêöèè:

                             

  

Ãðàôèê çàâèñèìîñòè U îò I

                   à)                                                     á)

Ðèñ. 2:Õàðàêòåðèñòèêè âîäîðîäíî - êèñëîðîäíîãî ÝÕÃ:

                  à - îáùàÿ ôîðìà õàðàêòåðèñòèêèè è çàâèñèìîñòü ïîëåçíîé ìîùíîñòè îò òîêà;

         á - àíàëîãè âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè - çàâèñèìîñòè íàïðÿæåíèÿîò ïëîòíîñòè òîêà äëÿ ÒÝ ðàçëè÷íîãî èñïîëíåíèÿ (1-ñ ðàñòâîðîì ýëåêòðîëèòà; 2-ñ êàïèëÿðíîé ìåìáðàíîé; 3-ñ ÈÎÌ ïðè Ò=355 Ê; 4-ñ ÈÎÌ ïðè Ò=313 Ê).

Âíåøíÿÿ õàðàêòåðèñòèêà U=f(I).

   Îòêëîíåíèå îò ñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåñèÿ ïðè ðàáîòå ÒÝ ïðàêòè÷åñêè ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàïðÿæåíèÿ è ñíèæåíèþ ÊÏÄ ïî ñðàâíåíèþ ñ èõ òåðìîäèíàìè÷åñêèìè çíà÷åíèÿìè âñëåäñòâèå èçìåíåíèÿ ïîòåíöèàëà êàòîäà è àíîäà ïðè ïðîõîæäåíèè òîêà â öåïè ÒÝ. Ñîâîêóïíîñòü ýòèõ ÿâëåíèé íàçûâàþò ïîëÿðèçàöèåé. Ïðè ñîâåðøåíèè ðàáîòû âûõîäà (àêòèâàöèè) èç ìåòàëëà ýëåêòðîäà â ðàñòâîð ýëåêòðîëèòà ýëåêòðîí ïðåîäîëåâàåò ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð, îáðàçîâàííûé äâîéíûì ñëîåì ðàçíîèìåííûõ çàðÿäîâ. Íà ãðàíèöå "ýëåêòðîä - ýëåêòðîëèò" íàáëþäàåòñÿ ðàçëè÷èå êîíöåíòðàöèé èîíèçèðîâàííûõ ðåàãåíòîâ. Ýëåêòðîëèò è ýëåêòðîäû èìåþò ñîáñòâåííîå âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå. Óïðîùåííî, ñîâìåñòíîå âëèÿíèå ïåðå÷èñëåííûõ ýôôåêòîâ ìîæíî ó÷åñòü ñ ïîìîùüþ ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íåëèíåéíîì âíóòðåííåì ñîïðîòèâëåíèè ÒÝ Râí. Ïðè ýòîì óðàâíåíèå âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè ïðèáëèæåííî çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

                   U = Eí- IRâí.

ãäå Eí- ÝÄÑ ïðè íàãðóçêå, ó÷èòûâàþùàÿ àêòèâàöèîííóþ è êîíöåíòðàöèîííóþ ïîëÿðèçàöèþ; ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðîëèòà Rýëïðàêòè÷åñêè ðàâíî Râíè ó÷èòûâàåò "îìè÷åñêóþ" ïîëÿðèçàöèþ.

   Îáùàÿ ôîðìà âíåøíåé õàðàêòåðèñòèêè ÝÕà ïîêàçàíà íà ðèñ. 2à. Áîëüøàÿ êðóòèçíà | dU / dI | ïðè ìàëûõ è ïîâûøåííûõ çíà÷åíèÿõ òîêà îáóñëîâëåíà ñîîòâåòñòâåííî ïîëÿðèçàöèåé àêòèâàöèè ýëåêòðîäîâ (ó÷àñòîê 1) è ïðèãðàíè÷íîé ïîëÿðèçàöèåé êîíöåíòðàöèè (ó÷àñòîê 3). Ëèíåéíûé ó÷àñòîê 2 ñ îòíîñèòåëüíî ìàëîé êðóòèçíîé | dU / dI | îòðàæàåò âëèÿíèå â îñíîâíîì "îìè÷åñêîé" ïîëÿðèçàöèè. Íà ðèñ. 2á. ïðèâåäåíû àíàëîãè âíåøíèõ õàðàêòåðèñòèê U = U(J) äëÿ êîíêðåòíûõ

Ðèñ. 3: Ñõåìû ÝÕÃ:

          à - ïîñëåäîâàòåëüíî-ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå òîïëèâíûõ    ýëåìåíòîâ;

                á -  óïðîùåííàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ.

ÒÝ. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïëîòíîñòü òîêà J (íà åäèíèöó êàæóùåéñÿ ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîäà) ìîæåò ïðè êðàòêîâðåìåííûõ ðåæèìàõ äîñòèãàòü 0.1 - 0.2 À/ñì2.

  

   Ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà ÝÕÃ, ïîñòðîåííàÿ ïî ìàòðè÷íîìó ïðèíöèïó, äàíà íà ðèñ. 3à; (Iý, Uý- òîê è íàïðÿæåíèå ÒÝ). Óïðîùåííàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ ÒÝ ïðåäñòàâëåííà íàðèñ. 3á. ñëè ïðè T = const ðàññìàòðèâàòü ÒÝ êàê ëèíåéíûé ýëåìåíò ñ ïîñòîÿííûìè ýêâèâàëåíòíûìè ïàðàìåòðàìè

                           

ãäå Rí, Lí- ñîïðîòèâëåíèå è èíäóêòèâíîñòü íàãðóçêè; Lý,ò- èíäóêòèâíîñòü ýëåêòðîäîâè òîêîîòâîäîâ, òî ïðîöåññ ðàçðÿäà ÒÝ îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì:

                          

Çäåñü óñòàíîâèâøèéñÿ òîê íàãðóçêè;

        ýêâèâàëåíòíàÿ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè.

  

Ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèå óñòàíîâêè íà áàçå ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ãåíåðàòîðîâ.

   ÝÕà â öåëîì êðîìå áàòàðåè ÒÝ è âñïîìîãàòåëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ âêëþ÷àåò ðÿä áëîêîâ, ñíàáæåííûõ âçàèìíûìè ïðÿìûìè è îáðàòíûìè ñâÿçÿìè äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ â çàäàííîì ðåæèìå. Ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü ÝÕà êàê òåõíè÷åñêóþ ñèñòåìó, ñîñòîÿùóþ èç ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîäñèñòåì. Óêðóïíåííàÿ ñõåìà ÝÕà (ðèñ. 4.) â êà÷åñòâå ãëàâíîé ïîäñèñòåìû ñîäåðæèò áàòàðåþ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ ÁÒÝ, à òàêæå ïîäñèñòåìû: õðàíåíèÿ ãîðþ÷åãîÏÕà è îêèñëèòåëÿ ÏÕÎ; îáðàáîòêè ãîðþ÷åãî ÏÎà è îêèñëèòåëÿ ÏÎÎ; ïîäà÷è ãîðþ÷åãî ÏÏà è îêèñëèòåëÿ ÏÏÎ. Íàðÿäó ñ íèìè èìåþòñÿ ïîäñèñòåìû îòâîäîâ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè ÏÎÏÐ, òåïëîîòâîäà ÏÒÎ è ïîäñèñòåìà êîíòðîëÿ è àâòîìàòèêè ÏÊÀ, êîòîðàÿ ñîåäèíåíà äâóñòîðîííèìè ñâÿçÿìè ñ ïîäñèñòåìàìè ïîäà÷è è îòâîäà. Ê ïîäñèñòåìå ïîòðåáëåíèÿ è ðåãóëèðîâàíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè ÏÏÐÝ ïîäêëþ÷åíà ÁÒÝ.

   Ïðèìåíèòåëüíî ê âîäîðîä - êèñëîðîäíîìó ÝÕà â ÏÕÃ, ÏÕÎ îñóùåñòâëÿåòñÿ êðèîãåííîå õðàíåíèå ñæèæåííûõ êîìïîíåíòîâ òîïëèâà, â ÏÎÃ, ÏÎÎ ïðîèçâîäèòñÿ íàãðåâ H2è O2, êîòîðûå â ãàçîîáðàçíîì ñîñòîÿíèè ïîäâîäÿòñÿ ê ÏÏÃ, ÏÏÎ. Ýòè ïîäñèñòåìû ïðîèçâîäÿò äîçèðîâàííóþ ïîäà÷ó ðåàãåíòîâ ïðè çàäàííûõ ïàðàìåòðàõ (äàâëåíèè, òåìïåðàòóðå) â ÁÒÝ, ãäå ïðîèñõîäèò ðåàêöèÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî îêèñëåíèÿ. Óäàëåíèå ïàðîâ âîäû â ÝÕà âûïîëíÿåò ÏÎÏÐ. Äëÿ ÝÕÃ, ïðèìåíÿåìûõ íà ÊËÀ, âàæíîå çíà÷åíèå èìååò ÏÒÎ, ñîäåðæàùàÿ õîëîäèëüíèê - èçëó÷àòåëü, ê êîòîðîìó òåïëî äîñòàâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ öèðêóëÿöèîííûõ óñòðîéñòâ ñ æèäêîñòíûì òåïëîíîñèòåëåì.

   Äëÿ ÊËÀ ìíîãîðàçîâîãî èñïîëüçîâàíèÿ "Ñïåéñ Øàòòë" ôèðìà "Äæåíåðàë Ýëåêòðèê" (ÑØÀ) âûïîëíèëà ÝÕà ñ âîäîðîä - êèñëîðîäíûìè ÒÝ, èìåþùèìè ïîçîëî÷åííûå ýëåêòðîäû ñ ïëàòèíîâûìè êàòàëèçàòîðàìè. Ýëåêòðîäû ðàçäåëåíû ÈÎÌ, âî èçáåæàíèå âûñóøèâàíèÿ êîòîðûõ  îðãàíèçîâàí îòâîä òåïëà îò àíîäà, ÷òî ñîçäàåò äâèæóùèé ãðàäèåíò êîíöåíòðàöèè äëÿ âîçâðàùåíèÿ H2O ê àíîäó. Îòâîä âîäû - ïðîäóêòà ðåàêöèè - ðåàëèçîâàí ñ ïîìîùüþ àâòîìàòè÷åñêè äåéñòâóþùåé ñõåìû ñ ìèêðîïîðèñòûì ñåïàðàòîðîì è âîëîêíèñòûìè ôèòèëÿìè, âûñòóïàþùèìè èç ñáîðêè ÒÝ. Íà ðèñ. 5. äàíà óïðîùåííàÿ ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà ïîäîáíîãî ÝÕÃ, â ñîñòàâå êîòîðîãî íàõîäèòñÿ áàòàðåÿ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ ÁÒÝ èç 76 ÒÝ ñ ÈÎÌ.

   

Рис. 4. Функциональная схема ЭХГ с ТЭ на ИОМ ( 1 - теплообменник; 2 - сепаратор воды; 3 - блок увлажнения реагентов и регулирования давления воды; 4 - компенсатор давления электролита; 5, 6 насосы;7 - излучатель тепла; 8 - тракт продувки кислорода; 9 - тракт отвода Н2О в сборный бак)                      

Äâå ñåêöèè ÁÒÝ, èìåþùèå ïî 38 ÒÝ, ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî è ãåíåðèðóþò ýëåêòðè÷åñêóþ ìîùíîñòü 5 êÂò. Áàòàðåÿ ðàçìåùåíà â öèëèíäðè÷åñêîì êîíòåéíåðå äèàìåòðîì 0,33 ì è ãàáàðèòíîé äëèíîé 0,94 ì. Óäåëüíàÿ ìàññà ÁÒÝ áåç çàïðàâêè ðàâíà 11 êã/êÂò. Ýêñïåðèìåíòû ïîêàçàëè, ÷òî ñáîðêàÒÝ ñïîñîáíà ðàáîòàòü áîëåå 5000 ÷ áåç äåãðàäàöèè ÈÎÌ ïðè òåìïåðàòóðå äî 455 Ê.

Íà ÊËÀ ìíîãîðàçîâîãî èñïîëüçîâàíèÿ "Áóðàí" óñòàíîâëåíû ÷åòûðå ÝÕà ìîùíîñòüþ ïî 10 êÂò ( ñóììàðíàÿ ìîùíîñòü 40 êÂò ) ñåðèè "Ôîòîí" íà âîäîðîä - êèñëîðîäíîì òîïëèâå H2- Î2. Íàïðÿæåíèå îäíîãî ãåíåðàòîðà, ñîñòîÿùåãî èç 128 òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ, ñîñòàâëÿåò 29,2  ( ñõåìà ãåíåðàòîðà ñîäåðæèò÷åòûðå ïàðàëëåëüíûå âåòâè, â êàæäîé èç êîòîðûõ âêëþ÷åíî ïîñëåäîâàòåëüíî ïî 32 ýëåìåíòà). Ìàññà ÝÕà ñîñòàâëÿåò 145 êã, ìàññà åãî áëîêà àâòîìàòèêè - 15 êã ( óäåëüíàÿ ìàññà 14,5 êã/êÂò, à ñ ó÷åòîì áëîêà àâòîìàòèêè - 16 êã/êÂò ). Ðåñóðñ ÝÕà ðàâåí 2000 ÷, åãî ÊÏÄ 62%

Äëÿ äëèòåëüíîé ýêñïëóàòàöèè â ÀÝÓ ïåðñïåêòèâíû óñòàíîâêè, â êîòîðûõ ÝÕà ðàáîòàåò ñîâìåñòíî ñ ðåãåíåðàòîðîì êîìïîíåíòîâ òîïëèâà, ðàçëàãàþùèìâîäó íà âîäîðîä è êèñëîðîä. Ýëåêòðîëèç âîäû òðåáóåò ïîäâåäåíèÿ èçâíå ýíåðãèè äëÿ ðàçðûâà âàëåíòíîé õèìè÷åñêîé ñâÿçè

Í - Î - Í. Ïðè ìîùíîñòÿõ ìåíåå 1 êÂò öåëåñîîáðàçíî èíòåãðàëüíîå èñïîëíåíèå ÝÕà è ýëåêòðîëèçåðà âîäû (ÝÂ). Ïðè áîëåå âûñîêèõ ýëåêòðè÷åñêèõ ìîùíîñòÿõ ÝÕà è ýëåêòðîëèçåð âîäû â ðàçäåëüíîì èñïîëíåíèè èìåþò ëó÷øèå òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè, ÷åì ó èíòåãðàëüíîãî óñòðîéñòâà.  çàâèñèìîñòè îò âèäà ïîäâîäèìîé ê ðåãåíåðàòîðó Ð ýíåðãèè ïðèíöèïèàëüíî âîçìîæíû ðàçëè÷íûå ñïîñîáû ðàçëîæåíèÿ âîäû. Âûñîêèì ÊÏÄ îòëè÷àåòñÿ ýëåêòðîëèç ïðè ïðîïóñêàíèè ÷åðåç Í2Î ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà: îòíîøåíèå òåïëîòû ñãîðàíèÿ ïîëó÷åííîãî òîïëèâà ê ýíåðãîçàòðàòàì íà âûäåëåíèå Í2è Î2äîñòèãàåò 70 - 80%.  îñîáåííîñòè ýëåêòðîëèç ýôôåêòèâåí äëÿ ÀÝÓ íà ÊËÀ ïðè èñïîëüçîâàíèè Ñîëíöà â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ïåðâè÷íîé ýíåðãèè ñ ïîñëåäóþùèì åå ïðåîáðàçîâàíèåì â ÔÝÏ.

   Ðàçëîæåíèå âîäû íà Í2è Î2ìîæíî ðåàëèçîâàòü íåïîñðåäñòâåííî â ÒÝ ïðè ïðîïóñêàíèè òîêà â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè ïî îòíîøåíèþ ê òîêó ãåíåðàòîðíîãî ðåæèìà, èñïîëüçóÿ ïðèíöèï îáðàòèìîñòè ÒÝ, êîòîðûé âûïîëíÿåò ðîëü ýëåêòðîëèçíîé ÿ÷åéêè. Ïðè òàêîì ñïîñîáå ðåãåíåðàöèè êîìïîíåíòîâ òîïëèâà ðåñóðñ ðåãåíåðàòèâíîãî ÒÝ îãðàíè÷åí îáúåìîì ðåçåðâóàðîâ äëÿ õðàíåíèÿ Í2è Î2. Èçâåñòíû ðåãåíåðàòèâíûå ÒÝ, â êîòîðûõ ïîëó÷åííûå ãàçû Í2 è Î2õðàíÿòñÿ â ïîðèñòûõ èëè ãóá÷àòûõ óñòðîéñòâàõ âíóòðè ÒÝ. Äàííûé òèï ÒÝ ïî ïðèíöèïó äåñòâèÿ ôîðìàëüíî àíàëîãè÷åãí õèìè÷åñêîé ÀÁ, ïðè÷åì ýëåêòðè÷åñêàÿ åìêîñòü ðåãåíåðàòèâíîãî ÒÝ îïðåäåëÿåòñÿ êîëè÷åñòâîì àäñîðáèðîâàííûõ ãàçîâ. Êàê è ÒÝ, âîçìîæíî âûïîëíåíèå ýëåêòðîëèçíîé ÿ÷åéêè ñ ýëåêòðîëèòîì, ÈÎÌ èëè êàïèëëÿðíîé ìåìáðàíîé. Ïðèêëàäûâàåìîå ê ýëåêòðîëèçíîé ÿ÷åéêå ïðè ýëåêòðîëèçå íàïðÿæåíèå íà 30 - 80% äîëæíî ïðåâîñõîäèòü íàïðÿæåíèå, ãåíåðèðóåìîå ÒÝ, ïîñêîëüêó ïîëÿðèçàöèîííûå ýôôåêòû â ýëåêòðîëèçíîé ÿ÷åéêå ïðîÿâëÿþòñÿ ñèëüíåå, ÷åì â ÒÝ.

  Ðåãåíåðàòèâíàÿ ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà (ÐÝÓ) êîñìè÷åñêîé äîëãîâðåìåííîé òåõíîëîãè÷åñêîé áàçû âêëþ÷àåò âîñåìü èäåíòè÷íûõ ìîäóëåé äàííîãî òèïà, ñðåäíÿÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ ìîùíîñòü êàæäîãî èç êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò 12,5 êÂò. Ãàçîâûå áàëëîíû ðàññ÷èòàíû íà çàïàñ ðåàãåíòîâ 9-11 êã, ðàáî÷åå äàâëåíèå â áàëëîíàõ ïîääåðæèâàåòñÿ â äèàïàçîíå (6.9 ¸ 27.6) 105Ïà. Çà îäèí öèêë ðàçðÿäíîãî ðåæèìà ðàñõîäóåòñÿ 3.03 êã ðåàãåíòîâ (óñëîâíàÿ ñòåïåíü ðàçðÿäêè 33%). Ðåãóëÿòîð ïîñòîÿííîãî òîêà, êîìïåíñèðóþùèé ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ÝÕÃ, ïîçâîëÿåò âäâîå ïîâûñèòü ðåñóðñ ÒÝ, êîòîðûé ìîæåò äîõîäèòü äî 10 ëåò.

Ñïèñîê ñîêðàùåíèé:

ÝÕÏ - ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ïðåîáðàçîâàòåëü;

ÝÕà - ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ãåíåðàòîð;

ÒÝ   - òîïëèâíûé ýëåìåíò;

ÊËÀ - êîñìè÷åñêèé ëåòàòåëüíûé àïïàðàò;

ÀÁ   - àêêóìóëÿòîðíàÿ áàòàðåÿ;

ÀÝÓ - àâòîíîìíàÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà;

ÔÝÏ - ôîòîýëåêòðè÷åñêèå ïðåîáðàçîâàòåëè;

ÈÎÌ - èîíîîáìåííàÿ ìåìáðàíà;

ÁÒÝ- áàòàðåÿ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ;

ÏÕà - ïîäñèñòåìà õðàíåíèÿ ãîðþ÷åãî;

ÏÕÎ -   ==||==      ==||==    îêèñëèòåëÿ;

ÏÎÃ - ==||== îáðàáîòêè Ã.;

ÏÎÎ - ==||== ==||== O.;

ÏÏÃ- ==||== ïîäà÷è Ã.;

ÏÏÎ - ==||== ==||== Î.;

ÏÎÏÐ - ==||== îòâîäà ïðîäóêòîâ ðåàêöèè;

ÏÒÎ - ==||== òåïëîîòâîäà;

ÏÊÀ - ==||== êîíòðîëÿ è àâòîìàòèêè;

ÏÏÐÝ - ==||== ïîòðåáëåíèÿ è ðåãóëèðîâàíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè;

ÐÝÓ - ðåãåíåðàòèâíàÿ ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà.

Литература:Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины.

М.:Энергоатомиздат, 1993.