По страницам старых публикаций

Топливные элементы работают за счет химических реакций окисления (горения) газообразного и жидкого топлива, подводимого извне в пористые электроды элемента, между которыми циркулирует электролит.

В настоящее время практическое применение нашли топливные водородно-кислородные элементы, в которых топливом (восстановителем) является водород, а окислителем — кислород из воздуха: то есть в один из электродов нагнетается водород, а в другой — воздух. При их взаимодействии в электролите образуется вода: происходит процесс, обратный электролизу воды в кислород и водород.

Газы подводят под таким давлением, чтобы они соприкасались с электролитом в порах внутри электродов. Для нормальной работы элемента необходимо поддерживать постоянной его температуру (несколько сот градусов у водородно-кислородного элемента), регулировать подачу газов, напряжение на электродах и т. д. Топливный элемент и вспомогательное оборудование к нему называют электрохимическим генератором.

Коэффициент полезного действия водородно-кислородных элементов приближается к 80 %. Они имеют большой срок службы, так как их электроды мало изнашиваются.

В воздушно-цинковом элементе (в батарее «Крона-ВЦ») один из электродов — угольный пористый — работает, как в топливном элементе: в него из воздуха свободно поступает кислород, выполняющий роль окислителя. Восстановителем является цинковый электрод, который здесь изнашивается (растворяется) более интенсивно, чем в обычном гальваническом элементе. Поэтому у перспективных воздушноцинковых элементов цинковый электрод после износа будет заменяться запасным.

Разрабатываются топливные и полу-топливные элементы, где будут использоваться другие виды топлива и металлов для электродов.

Рис. 3.6. Схема воздушно-цинкового генератора:

1 — химические элементы; 2 — насос для подачи электролита в элементы; 3 — резервуар с электролитом; 4 — фильтры для очистки электролита; 5 — сепаратор для отделения воздуха от электролита; б — воздушный компрессор.

Воздушно-цинковые генераторы — значительно более мощные источники тока (до нескольких десятков кВт), которые могут найти применение для электромобилей, являются как бы комбинацией обычного гальванического элемента, аккумулятора и топливного элемента. Катод здесь выполнен, как в топливном элементе, и подача воздуха (кислорода) к нему осуществляется принудительно. А анод устроен, как цинковый электрод гальванического элемента.

Схема устройства воздушно-цинкового генератора изображена на рисунке 3.6. Электролит постоянно циркулирует сквозь элементы и уносят с собой окись цинка, которая накапливается в фильтре. При заряде эта окись поступает обратно в элемент и восстанавливается в цинк на положительных электродах, а кислород, выделяющийся на катодах, возвращается в атмосферу.

Масса такой батареи, приходящаяся на единицу энергии, в 4...5 раз меньше, чем аналогичная характеристика современных свинцовых тяговых аккумуляторных батарей, и составляет 7...9 кг/кВт*ч. Трудности их производства заключаются пока в сложности изготовления высококачественного электрода воздушной деполяризации.

   § 3.6. Термоэлектрогенераторы

Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных металлов между их свободными концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов — так называемая термоэлектродвижущая сила. Если замкнуть такой термоэлемент (термопару) на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток (рис. 3.1). Происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Значение термоэлектродвижущей силы (В) приближенно определяют по формуле

(3.8)

где Т₁ и Т₂ — соответственно температуры нагретого и холодного спаев (концов) термопары; а — коэффициент термо-э.д.с., зависящий от того, какие металлы участвуют в спае. Для пары висмут — сурьма α достигает 11,2 мВ/град, для пары железо — константан — 5 мВ/град, для пары железо — алюминий — 1,22 мВ/град и т. д.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, термо— э. д. с. будет изменяться пропорционально изменению температуры горячего спая. Это дает возможность применять термопары для измерения температуры. Коэффициент полезного действия таких термопар менее 0,1%.

В настоящее время разработаны термопары со значительно большим коэффициентом полезного действия. На их основе созданы термоэлектрогенератор. На рисунке 3.8 показан термоэлектрогенератор с керосиновой лампой. Стекло 1 укорочено, внутрь него входит нижняя часть металлического теплопередатчика 2. На боковой поверхности теплопе-редатчика расположены блоки термобатарей 4. Для охлаждения холодных спаев термоэлементов к внешним поверхностям блоков прикреплены металлические радиаторные ребра 3 воздушного охлаждения.

Рис. 3.7. Схема получения термоэлектричества: Гс — горячий спай, Хс — холодный спай; 1— отрицательный электрод, 2— положительный электрод.

Рис 3.8 Термоэлектрогенератор для питания радиоаппаратуры:1 стекло лампы; 2 — металлический теплоноситель, 3 — охлаждающие металлические ребра; 4 — блоки термобатарей.

Основным преимуществом термоэлектрогенератора по сравнению с сухими элементами и батареями является уменьшение расхода цветных металлов. Кроме того, он может неограниченно долго храниться в нерабочем состоянии, а в условиях эксплуатации срок его службы превышает 10000 ч. Он устойчив в работе, дает стабильное напряжение, не боится коротких замыканий, не требует специального ухода. При разности температур между спаями порядка 300 °С каждый термоэлемент развивает э. д. с. около 55 мВ. Коэффициент полезного действия преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 3,5% и выше. Он зависит от целого ряда факторов, но в первую очередь как от качества самих используемых для термопар материалов, так и от уровня технологии производства этих термопар. В настоящее время коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар достигает 14%. Удельная мощность современных термоэлектрогенераторов находится в пределах от 4 до 22 Вт на 1 кг установки. Но в перспективе она возрастет до 220 Вт/кг и более. В качестве материалов термопар используют цинк, сурьму, теллур, уголь и др., а также сплавы различных металлов.

Смотрите также: Электричество из тепла