Алуминиева въздушна клетка, алуминиева въздушна клетка и метод на работа на батерията. Нови батерии от Phinergy - революция или ...? Комбинирани източници на ток

21.10.2019

Химическите източници на ток със стабилни и високи специфични характеристики са едно от най-важните условия за развитието на комуникациите.

Понастоящем нуждите на потребителите на електроенергия от комуникационни съоръжения се покриват основно чрез използването на скъпи галванични елементи или батерии.

Батериите са относително автономни източници на захранване, тъй като трябва периодично да се зареждат от мрежата. Използваните за тази цел зарядни устройства са скъпи и не винаги могат да осигурят благоприятен режим на зареждане. И така, батерията Sonnenschein, направена по технологията dryfit и имаща маса 0,7 kg и капацитет 5 Ah, се зарежда за 10 часа, а при зареждане е необходимо да се спазват стандартните стойности на ток, напрежение и време за зареждане. Зареждането се извършва първо при постоянен ток, след това при постоянно напрежение. За това се използват скъпи зарядни устройства с програмно управление.

Галваничните клетки са напълно автономни, но обикновено имат ниска мощност и ограничен капацитет. Когато натрупаната в тях енергия се изчерпи, те се изхвърлят, замърсявайки околната среда. Алтернатива на сухите източници са въздушно-металните механично презареждани източници, някои от енергийните характеристики на които са дадени в таблица 1.

маса 1- Параметри на някои електрохимични системи

Електрохимическа система	Теоретични параметри		Практически изпълнени параметри
Електрохимическа система		Специфична енергия, Wh/kg	Напрежение, V	Специфична енергия, Wh/kg
Въздушен алуминий
Въздушно-магнезиев
Въздух-цинк
Никел метал хидрид
Никел-кадмиев
Манган-цинк
Манган-литий

Както се вижда от таблицата, източниците въздух-метал, в сравнение с други широко използвани системи, имат най-високи теоретични и практически енергийни параметри.

Системите въздух-метал са внедрени много по-късно и тяхното развитие все още е по-малко интензивно от сегашните източници на други електрохимични системи. Въпреки това тестовете на прототипи, създадени от местни и чуждестранни фирми, показаха тяхната достатъчна конкурентоспособност.

Доказано е, че алуминиевите и цинковите сплави могат да работят в алкални и солни електролити. Магнезий - само в солни електролити, като интензивното му разтваряне става както по време на генериране на ток, така и в паузи.

За разлика от магнезия, алуминият се разтваря в солни електролити само когато се генерира ток. Алкалните електролити са най-обещаващите за цинков електрод.

Въздушно-алуминиеви източници на ток (HAIT)

На базата на алуминиеви сплави са създадени механично презареждаеми източници на ток с електролит на основата на обикновена сол. Тези източници са абсолютно автономни и могат да се използват за захранване не само на комуникационно оборудване, но и за зареждане на батерии, захранване на различно домакинско оборудване: радио, телевизори, кафемелачки, електрически бормашини, лампи, електрически сешоари, поялници, хладилници с ниска мощност. , центробежни помпи и др. Абсолютната автономност на източника ви позволява да го използвате на място, в региони, които нямат централизирано електрозахранване, на места с катастрофи и природни бедствия.

HAIT се зарежда за няколко минути, което е необходимо за пълнене на електролита и/или смяна на алуминиевите електроди. За зареждане са ви необходими само готварска сол, вода и запас от алуминиеви аноди. Като един от активните материали се използва кислород от въздуха, който се редуцира върху въглеродни и флуоропластични катоди. Катодите са доста евтини, осигуряват източника за дълго време и следователно имат малък ефект върху цената на генерираната енергия.

Цената на електроенергията, получена в HAIT, се определя основно само от цената на периодично сменените аноди, не включва цената на окислителя, материалите и технологичните процеси, които осигуряват работата на традиционните галванични елементи и следователно е 20 пъти по-ниска отколкото цената на енергията, получена от такива автономни източници като алкални манганово-цинкови елементи.

таблица 2- Параметри на въздушно-алуминиеви източници на ток

вид батерия	Марка батерия	Брой елементи	Маса на електролита, кг	Електролитен резервен капацитет, Ah	Тегло на аноден комплект, кг	Капацитет за съхранение на анода, Ah	Тегло на батерията, кг
Потопяеми



Напълнена

Продължителността на непрекъсната работа се определя от количеството консумиран ток, обемът на електролита, излят в клетката и е 70 - 100 Ah / l. Долната граница се определя от вискозитета на електролита, при който е възможно свободното му изхвърляне. Горната граница съответства на намаляване на характеристиките на клетката с 10-15%, но при достигането й, за отстраняване на електролитната маса, е необходимо да се използват механични устройства, които могат да повредят кислородния (въздушен) електрод.

Вискозитетът на електролита се увеличава, тъй като той се насища със суспензия от алуминиев хидроксид. (Алуминиевият хидроксид се среща естествено под формата на глина или алуминиев оксид, е отличен продукт за производство на алуминий и може да бъде върнат в производството).

Подмяната на електролита се извършва за няколко минути. С нови порции електролит HAIT може да работи до изчерпване на анодния ресурс, който при дебелина 3 mm е 2,5 Ah/cm 2 от геометричната повърхност. Ако анодите се разтворят, те се сменят с нови в рамките на няколко минути.

Саморазрядът на HAIT е много нисък, дори когато се съхранява с електролит. Но поради факта, че HAIT може да се съхранява без електролит в интервала между разрядите, саморазреждането му е незначително. Срокът на експлоатация на ХАИТ е ограничен от експлоатационния живот на пластмасата, от която е изработен.ХАИТ без електролит може да се съхранява до 15 години.

В зависимост от изискванията на потребителя, HAIT може да бъде модифициран, като се вземе предвид фактът, че 1 елемент има напрежение 1 V при плътност на тока 20 mA/cm 2, а токът, взет от HAIT, се определя от площта на електродите.

Изследванията на процесите, протичащи на електродите и в електролита, проведени в MPEI(TU), позволиха да се създадат два вида въздушно-алуминиеви източници на ток - наводнени и потопени (Таблица 2).

Попълнен ХАИТ

Запълнените HAIT се състоят от 4-6 елемента. Елементът на напълнения HAIT (фиг. 1) е правоъгълен контейнер (1), в противоположните стени на който е монтиран катод (2). Катодът се състои от две части, електрически свързани в един електрод чрез шина (3). Между катодите е разположен анод (4), чието положение се фиксира с водачи (5). Конструкцията на елемента, патентована от авторите /1/, позволява да се намали отрицателното въздействие на алуминиевия хидроксид, образуван като краен продукт, поради организирането на вътрешна циркулация. За целта елементът в равнина, перпендикулярна на равнината на електродите, се разделя с прегради на три секции. Преградите действат и като водещи релси за анода (5). Електродите са разположени в средната част. Отделените при работа на анода газови мехурчета повдигат хидроксидната суспензия заедно с потока електролит, който потъва на дъното в другите две секции на клетката.

Снимка 1- Елементна схема

Въздухът се подава към катодите в HAIT (фиг. 2) през пролуките (1) между елементите (2). Крайните катоди са защитени от външни механични въздействия чрез странични панели (3). Херметичността на конструкцията се осигурява от използването на бързо свалящ се капак (4) с уплътнение (5) от пореста гума. Опъването на гуменото уплътнение се постига чрез притискане на капака към тялото на HAIT и фиксирането му в това състояние с помощта на пружинни скоби (не са показани на фигурата). Газът се освобождава през специално проектирани порести хидрофобни клапани (6). Елементите (1) в акумулатора са свързани последователно. Пластинчатите аноди (9), чийто дизайн е разработен в MPEI, имат гъвкави токоотводи със съединителен елемент в края. Конекторът, чиято свързваща част е свързана към катодния блок, ви позволява бързо да изключите и прикрепите анода, когато го сменяте. Когато всички аноди са свързани, елементите HAIT са свързани последователно. Крайните електроди са свързани към HAIT борните (10) също чрез конектори.

1 - въздушна междина, 2 - елемент, 3 - защитен панел, 4 - капак, 5 - катодна шина, 6 - уплътнение, 7 - клапан, 8 - катод, 9 - анод, 10 - бор

Фигура 2- Попълнен HAIT

Потопяем HAIT

Потопяем HAIT (фиг. 3) е излят HAIT, обърнат отвътре навън. Катодите (2) се разгръщат от активния слой навън. Капацитетът на клетката, в която е налят електролитът, е разделен на две с преграда и служи за отделно подаване на въздух към всеки катод. Анод (1) е монтиран в междината, през която се подава въздух към катодите. HAIT се активира не чрез изливане на електролита, а чрез потапяне в електролита. Електролитът се напълва предварително и се съхранява между отделянията в резервоар (6), който е разделен на 6 несвързани секции. Като резервоар се използва акумулаторен моноблок 6ST-60TM.

1 - анод, 4 - катодна камера, 2 - катод, 5 - горен панел, 3 - плъзгач, 6 - резервоар за електролит

Фигура 3- Потопяем въздушно-алуминиев елемент в панела на модула

Този дизайн ви позволява бързо да разглобите батерията, като премахнете модула с електродите и манипулирате по време на пълнене и разтоварване на електролита не с батерията, а с контейнер, чиято маса с електролит е 4,7 kg. Модулът съчетава 6 електрохимични елемента. Елементите се закрепват към горния панел (5) на модула. Масата на модула с комплект аноди е 2 кг. HAIT от 12, 18 и 24 елемента е набран чрез серийно свързване на модули. Недостатъците на въздушно-алуминиев източник включват доста високо вътрешно съпротивление, ниска плътност на мощността, нестабилност на напрежението по време на разреждане и спад на напрежението при включване. Всички тези недостатъци се изравняват при използване на комбиниран източник на ток (CPS), състоящ се от HAIT и батерия.

Комбинирани източници на ток

Кривата на разреждане на „наводнен“ източник 6VAIT50 (фиг. 4) при зареждане на запечатана оловна батерия 2SG10 с капацитет 10 Ah се характеризира, както в случая на захранване на други товари, с спад на напрежението в първите секунди, когато товарът е свързан. В рамките на 10-15 минути напрежението се повишава до работното напрежение, което остава постоянно през целия разряд на HAIT. Дълбочината на потапяне се определя от състоянието на повърхността на алуминиевия анод и неговата поляризация.

Фигура 4- Разрядна крива 6VAIT50 при зареждане 2SG10

Както знаете, процесът на зареждане на батерията се извършва само когато напрежението на източника, който дава енергия, е по-високо от това на батерията. Отказът на първоначалното напрежение на HAIT води до факта, че батерията започва да се разрежда при HAIT и следователно на електродите на HAIT започват да се появяват обратни процеси, което може да доведе до пасивиране на анодите.

За да се предотвратят нежелани процеси, във веригата между HAIT и батерията е инсталиран диод. В този случай напрежението на разреждане на HAIT по време на зареждане на батерията се определя не само от напрежението на батерията, но и от спада на напрежението върху диода:

U VAIT \u003d U ACC + ΔU DIOD (1)

Въвеждането на диод във веригата води до повишаване на напрежението както при HAIT, така и при батерията. Влиянието на наличието на диод във веригата е илюстрирано на фиг. 5, която показва промяната в разликата в напрежението между HAIT и батерията, когато батерията се зарежда последователно с и без диод във веригата.

В процеса на зареждане на батерията при липса на диод разликата в напрежението има тенденция да намалява, т.е. намаляване на ефективността на HAIT, докато в присъствието на диод разликата и, следователно, ефективността на процеса има тенденция да се увеличава.

Фигура 5- Разлика в напрежението 6VAIT125 и 2SG10 при зареждане с и без диод

Фигура 6- Промяна в разрядните токове на 6ВАИТ125 и 3НКГК11 при захранване на консуматора

Фигура 7- Промяна в специфичната енергия на KIT (VAIT - оловна батерия) с увеличаване на дела на пиковия товар

Комуникационните съоръжения се характеризират с потребление на енергия в режим на променливи, включително пикови, натоварвания. Ние моделирахме такъв модел на потребление при захранване на консуматор с базов товар 0,75 A и пиков товар 1,8 A от KIT, състоящ се от 6VAIT125 и 3NKGK11. Естеството на изменението на токовете, генерирани (консумирани) от компонентите на KIT, е показано на фиг. 6.

От фигурата може да се види, че в базовия режим HAIT осигурява достатъчно генериране на ток за захранване на базовия товар и зареждане на батерията. При пиково натоварване консумацията се осигурява от тока генериран от HAIT и батерията.

Нашият теоретичен анализ показа, че специфичната енергия на KIT е компромис между специфичната енергия на HAIT и батерията и се увеличава с намаляване на дела на пиковата енергия (фиг. 7). Специфичната мощност на KIT е по-висока от специфичната мощност на HAIT и се увеличава с увеличаване на дела на пиковия товар.

заключения

Създадени са нови токоизточници на базата на електрохимичната система "въздух-алуминий" с разтвор на готварска сол като електролит с енергиен капацитет около 250 Ah и специфична енергия над 300 Wh/kg.

Зареждането на разработените източници се извършва в рамките на няколко минути чрез механична подмяна на електролита и/или анодите. Саморазреждането на източниците е пренебрежимо малко и затова преди задействане те могат да се съхраняват 15 години. Разработени са варианти на източници, които се различават по начина на активиране.

Изследвана е работата на въздушно-алуминиеви източници по време на зареждане на батерията и като част от комбиниран източник. Показано е, че специфичната енергия и специфичната мощност на КИТ са компромисни стойности и зависят от дела на пиковия товар.

HAIT и KIT, базирани на тях, са абсолютно автономни и могат да се използват за захранване не само на комуникационно оборудване, но и на различно домакинско оборудване: електрически машини, лампи, хладилници с ниска мощност и др. Абсолютната автономност на източника позволява използването му на терен, в региони, които нямат централизирано електрозахранване, в места на катастрофи и природни бедствия.

БИБЛИОГРАФИЯ

Патент на Руската федерация № 2118014. Метално-въздушен елемент / Дячков Е.В., Клейменов Б.В., Коровин Н.В., / / IPC 6 N 01 M 12/06. 2/38. прогр. 17.06.97 г. обн. 20.08.98 г

Коровин Н.В., Клейменов Б.В., Волигова И.А. & Voligov I.A.// Abstr. Втори симптом. на New Mater. за горивни клетки и модерни батерийни системи. 6-10 юли. 1997 Монреал. Канада. v 97-7.

Коровин Н.В., Клейменов Б.В. Вестник МЕИ (под печат).

Работата е извършена в рамките на програмата "Научни изследвания на висшето образование в приоритетни области на науката и технологиите"

Кандидат на техническите науки Е. КУЛАКОВ, кандидат на техническите науки С. СЕВРУК, кандидат на химическите науки А. ФАРМАКОВСКАЯ.

Електрическата централа на въздушно-алуминиеви елементи заема само част от багажника на автомобила и осигурява пробег до 220 километра.

Принципът на действие на въздушно-алуминиевия елемент.

Работата на електроцентралата върху въздушно-алуминиеви елементи се контролира от микропрецесор.

Малка въздушно-алуминиева солна електролитна клетка може да замени четири батерии.

Наука и живот // Илюстрации

Електрическа централа EU 92VA-240 на въздушно-алуминиеви елементи.

Човечеството, очевидно, няма да се откаже от автомобилите. Не само това: автомобилният парк на Земята скоро може грубо да се удвои - главно поради масовата моторизация на Китай.

Междувременно колите, които се движат по пътищата, отделят в атмосферата хиляди тонове въглероден оксид - същият, чието присъствие във въздуха в количество над една десета от процента е фатално за хората. И в допълнение към въглеродния оксид - и много тонове азотни оксиди и други отрови, алергени и канцерогени - продукти от непълното изгаряне на бензина.

Светът отдавна търси алтернативи на автомобила с двигател с вътрешно горене. И най-реалният от тях се смята за електрически автомобил (вж. "Наука и живот" № 8, 9, 1978 г.). Първите електрически превозни средства в света са създадени във Франция и Англия в самото начало на 80-те години на миналия век, тоест няколко години по-рано от автомобилите с двигатели с вътрешно горене (ICE). И първата самоходна карета, която се появи например през 1899 г. в Русия, беше именно електрическа.

Тяговият двигател в тези електрически превозни средства се захранва от непосилно тежки оловно-киселинни батерии с енергиен капацитет от само около 20 вата часа (17,2 килокалории) на килограм. Това означава, че за да се "захрани" двигателят с мощност 20 киловата (27 конски сили) поне за час, е била необходима оловна батерия с тегло 1 тон. Количеството бензин, еквивалентно на него като съхранена енергия, се заема от резервоар за газ с вместимост само 15 литра. Ето защо едва с изобретяването на двигателя с вътрешно горене производството на автомобили започва да расте бързо и електрическите автомобили се считат за задънен клон на автомобилната индустрия в продължение на десетилетия. И само екологичните проблеми, които възникнаха пред човечеството, принудиха дизайнерите да се върнат към идеята за електрическа кола.

Сама по себе си замяната на двигател с вътрешно горене с електродвигател, разбира се, е примамлива: при същата мощност електродвигателят е с по-малко тегло и по-лесен за управление. Но дори и сега, повече от 100 години след първата поява на автомобилни батерии, енергийният интензитет (т.е. съхранената енергия) дори на най-добрите от тях не надвишава 50 ватчаса (43 килокалории) на килограм. И следователно стотици килограми батерии остават еквивалентни на теглото на резервоар за газ.

Ако вземем предвид нуждата от много часове зареждане на батерии, ограничен брой цикли на зареждане-разреждане и в резултат на това относително кратък експлоатационен живот, както и проблеми с изхвърлянето на използвани батерии, тогава трябва да признаем че акумулаторната електрическа кола все още не е подходяща за ролята на масов транспорт.

Дойде обаче моментът да кажем, че електродвигателят може да получава енергия и от друг вид химически източници на ток - галванични клетки. Най-известните от тях (така наречените батерии) работят в преносими приемници и диктофони, в часовници и фенерчета. Работата на такава батерия, както всеки друг химически източник на ток, се основава на една или друга окислително-възстановителна реакция. И това, както е известно от училищния курс по химия, е придружено от прехвърляне на електрони от атоми на едно вещество (редуциращ агент) към атоми на друго (окислител). Такова прехвърляне на електрони може да се извърши чрез външна верига, например чрез електрическа крушка, микросхема или двигател, и по този начин да накара електроните да работят.

За тази цел окислително-редукционната реакция се провежда, така да се каже, на два етапа - тя се разделя, така да се каже, на две полуреакции, протичащи едновременно, но на различни места. На анода редукторът отдава своите електрони, т.е. той се окислява, а на катода окислителят приема тези електрони, т.е. той се редуцира. Самите електрони, преминавайки от катода към анода през външна верига, извършват полезна работа. Този процес, разбира се, не е безкраен, тъй като и окислителят, и редукторът постепенно се изразходват, образувайки нови вещества. И в резултат на това източникът на ток трябва да бъде изхвърлен. Вярно е, че е възможно непрекъснато или от време на време да се отстраняват продуктите на реакцията, образувани в него от източника, и в замяна да се подават все повече и повече нови реагенти в него. В този случай те играят ролята на гориво и затова такива елементи се наричат гориво (виж "Наука и живот" № 9, 1990 г.).

Ефективността на такъв източник на ток се определя преди всичко от това колко добре са избрани самите реагенти и техният режим на работа. Няма особени проблеми с избора на окислител, тъй като въздухът около нас се състои от повече от 20% от отличен окислител - кислород. Що се отнася до редуциращия агент (т.е. горивото), ситуацията с него е малко по-сложна: трябва да го носите със себе си. И следователно, когато го избирате, трябва преди всичко да изхождате от така наречения индикатор за маса-енергия - полезната енергия, освободена по време на окисляването на единица маса.

Водородът има най-добри свойства в това отношение, следван от някои алкални и алкалоземни метали и след това алуминият. Но газообразният водород е запалим и експлозивен и под високо налягане може да проникне през металите. Може да се втечни само при много ниски температури и е доста трудно да се съхранява. Алкалните и алкалоземните метали също са запалими и освен това бързо се окисляват във въздуха и се разтварят във вода.

Алуминият няма нито един от тези недостатъци. Винаги покрит с плътен филм от оксид, въпреки цялата си химическа активност, той почти не се окислява във въздуха. Алуминият е сравнително евтин и нетоксичен, а съхранението му не създава никакви проблеми. Задачата за въвеждането му в източник на ток също е доста разрешима: анодните плочи са направени от горивен метал, който периодично се сменят, докато се разтварят.

И накрая, електролитът. В този елемент може да бъде всеки воден разтвор: киселинен, алкален или солен, тъй като алуминият реагира както с киселини, така и с алкали и когато оксидният филм се счупи, той се разтваря във вода. Но е за предпочитане да се използва алкален електролит: по-лесно е да се извърши втората полуреакция - редукция на кислорода. В кисела среда също се редуцира, но само в присъствието на скъп платинен катализатор. В алкална среда може да се мине с много по-евтин катализатор - кобалтов или никелов оксид или активен въглен, които се въвеждат директно в порестия катод. Що се отнася до солния електролит, той има по-ниска електрическа проводимост, а източникът на ток, направен на негова основа, е около 1,5 пъти по-малко енергоемък. Поради това е препоръчително да се използва алкален електролит в мощни автомобилни батерии.

Той обаче има и недостатъци, основният от които е корозията на анода. Той протича успоредно с основната - генерираща ток - реакция и разтваря алуминий, превръщайки го в натриев алуминат с едновременно отделяне на водород. Вярно е, че тази странична реакция протича с повече или по-малко осезаема скорост само при липса на външен товар, поради което въздушно-алуминиевите източници на ток не могат, за разлика от батериите и батериите, да се зареждат дълго време в режим на готовност. Алкалният разтвор в този случай трябва да се източи от тях. Но от друга страна, при нормален ток на натоварване, страничната реакция е почти незабележима и ефективността на алуминия достига 98%. Самият алкален електролит не се превръща в отпадък: след филтриране на кристали от алуминиев хидроксид от него, този електролит може да се излее отново в клетката.

Има още един недостатък при използването на алкален електролит във въздушно-алуминиев източник на ток: по време на работата му се изразходва доста вода. Това повишава концентрацията на алкали в електролита и може постепенно да промени електрическите характеристики на клетката. Има обаче диапазон от концентрации, в които тези характеристики практически не се променят и ако работите в него, тогава е достатъчно да добавяте вода към електролита от време на време. Отпадъците в обичайния смисъл на думата не се образуват по време на работа на въздушно-алуминиев източник на ток. В крайна сметка алуминиевият хидроксид, получен чрез разлагането на натриев алуминат, е просто бяла глина, тоест продуктът е не само абсолютно екологичен, но и много ценен като суровина за много индустрии.

От него, например, обикновено се произвежда алуминий, първо чрез нагряване, за да се получи алуминиев оксид, и след това подлагане на стопилката на този алуминиев оксид на електролиза. Поради това е възможно да се организира затворен ресурсоспестяващ цикъл за работа на въздушно-алуминиеви източници на ток.

Но алуминиевият хидроксид има и независима търговска стойност: необходим е при производството на пластмаси и кабели, лакове, бои, стъкла, коагуланти за пречистване на вода, хартия, синтетични килими и линолеуми. Използва се в радиотехническата и фармацевтичната промишленост, в производството на всички видове адсорбенти и катализатори, в производството на козметика и дори бижута. Всъщност много изкуствени скъпоценни камъни - рубини, сапфири, александрити - са направени на базата на алуминиев оксид (корунд) с малки примеси съответно на хром, титан или берилий.

Цената на "отпадъчния" въздушно-алуминиев източник на ток е доста съизмерима с цената на оригиналния алуминий, а масата им е три пъти по-голяма от масата на оригиналния алуминий.

Защо, въпреки всички изброени предимства на кислородно-алуминиевите източници на ток, те не бяха сериозно разработени толкова дълго - до самия край на 70-те години? Просто защото не бяха търсени от технологията. И само с бързото развитие на такива енергоемки автономни потребители като авиация и космонавтика, военно оборудване и наземен транспорт, ситуацията се промени.

Започва разработването на оптимални анодно-електролитни състави с високи енергийни характеристики при ниски скорости на корозия, избрани са евтини въздушни катоди с максимална електрохимична активност и дълъг експлоатационен живот, изчислени са оптимални режими както за дългосрочна работа, така и за кратко време на работа.

Бяха разработени и схеми на електроцентрали, съдържащи, в допълнение към действителните източници на ток, редица спомагателни системи - подаване на въздух, вода, циркулация и пречистване на електролита, термичен контрол и др. Всяка от тях е доста сложна сама по себе си и за за нормалното функциониране на електроцентралата като цяло беше необходима микропроцесорна система за управление, която задава алгоритмите за работа и взаимодействие на всички останали системи. Пример за конструкцията на една от съвременните въздушно-алуминиеви инсталации е показан на фигурата (стр. 63): дебелите линии показват флуидни потоци (тръбопроводи), а тънките линии показват информационни връзки (сигнали на сензори и команди за управление.

През последните години Московският държавен авиационен институт (Технически университет) - MAI, съвместно с научно-производствения комплекс за източници на енергия "Алтернативна енергия" - NPK IT "Alten" създаде цяла гама функционални електроцентрали на базата на въздух-алуминий елементи. Включително - експериментална инсталация 92VA-240 за електрически автомобил. Неговата енергийна интензивност и в резултат на това пробегът на електрически автомобил без презареждане се оказа няколко пъти по-висок, отколкото при използване на батерии - както традиционни (никел-кадмиеви), така и новоразработени (натриево-сярни). Някои специфични характеристики на електрическо превозно средство на тази електроцентрала са показани в съседния цветен раздел в сравнение с характеристиките на автомобил и електрическо превозно средство на батерии. Това сравнение обаче се нуждае от известно обяснение. Факт е, че за автомобила се взема предвид само масата на горивото (бензин), а за двете електрически превозни средства - масата на източниците на ток като цяло. В тази връзка трябва да се отбележи, че електродвигателят има значително по-малко тегло от бензиновия, не изисква трансмисия и консумира енергия няколко пъти по-икономично. Ако вземем всичко това предвид, излиза, че реалната печалба на сегашната кола ще бъде 2-3 пъти по-малка, но все пак доста голяма.

Инсталацията 92VA-240 има и други - чисто експлоатационни - предимства. Презареждането на въздушно-алуминиеви батерии изобщо не изисква електрическа мрежа, а се свежда до механична подмяна на изхабените алуминиеви аноди с нови, което отнема не повече от 15 минути. Още по-лесна и бърза е смяната на електролита за отстраняване на отлаганията от алуминиев хидроксид от него. В "пълнителната" станция отработеният електролит се подлага на регенерация и се използва за зареждане на електрически превозни средства, а отделеният от него алуминиев хидроксид се изпраща за преработка.

В допълнение към електрическата мобилна електроцентрала, базирана на въздушно-алуминиеви клетки, същите специалисти създадоха редица малки електроцентрали (виж "Наука и живот" № 3, 1997 г.). Всяка от тези инсталации може да бъде механично презаредена поне 100 пъти, като този брой се определя главно от експлоатационния живот на порестия въздушен катод. И срокът на годност на тези инсталации в незапълнено състояние изобщо не е ограничен, тъй като няма загуби на капацитет по време на съхранение - няма саморазреждане.

При въздушно-алуминиеви източници на ток с малка мощност за приготвяне на електролита може да се използва не само алкална, но и обикновена готварска сол: процесите в двата електролита протичат по подобен начин. Вярно е, че енергийната интензивност на солните източници е 1,5 пъти по-малка от алкалните, но те причиняват много по-малко проблеми на потребителя. Електролитът в тях се оказва напълно безопасен и дори дете може да се довери да работи с него.

Въздушно-алуминиеви източници на ток за захранване на домакински уреди с ниска мощност вече се произвеждат масово и цената им е доста достъпна. Що се отнася до автомобилната електроцентрала 92VA-240, тя все още съществува само в пилотни партиди. Една от неговите експериментални проби с номинална мощност 6 kW (при напрежение 110 V) и капацитет 240 амперчаса струва около 120 хиляди рубли по цени от 1998 г. Според предварителните изчисления, след стартирането на масовото производство, тази цена ще падне до най-малко 90 хиляди рубли, което ще позволи производството на електрически автомобил на цена не много по-висока от автомобил с двигател с вътрешно горене. Що се отнася до разходите за експлоатация на електрически автомобил, сега те са доста сравними с разходите за експлоатация на автомобил.

Остава само да се направи по-задълбочена оценка и разширени тестове, след което при положителни резултати да се започне пробна експлоатация.

Собствениците на патент RU 2561566:

Изобретението се отнася до енергийни източници, по-специално до въздушно-алуминиеви източници на ток.

Известен е химически източник на ток (пат. RU 2127932), при който подмяната на алуминиевия електрод също се извършва чрез отваряне на корпуса на батерията, последвано от инсталиране на нов електрод.

Недостатък на известните методи за поставяне на електрод в батерия е, че батерията трябва да бъде извадена от захранващата верига за периода на смяна на електрода.

Известна е горивна батерия (приложение RU 2011127181), в която консумативните електроди под формата на ленти се изтеглят през корпуса на батерията през уплътнения под налягане и уплътнения под налягане, тъй като те се произвеждат с помощта на задържащи барабани, което осигурява въвеждането на консумативни електроди в батерията без прекъсване на захранващата верига.

Недостатъкът на известния метод е, че уплътненията под налягане и уплътненията под налягане не отстраняват отделения по време на работа водород от батерията.

Техническият резултат от изобретението е осигуряването на автоматично вкарване на електрод с увеличена работна площ на консумативния електрод в горивната клетка без прекъсване на захранващата верига, повишаване на енергийните характеристики на горивната клетка.

Посоченият технически резултат се постига чрез факта, че методът за въвеждане на консумативен електрод във въздушно-алуминиева горивна клетка включва преместване на консумативен електрод, докато се развива в корпуса на горивната клетка. Съгласно изобретението се използва консумативен електрод под формата на алуминиева жица, която е навита върху спираловиден жлеб на тънкостенен прът, изработен от диелектричен хидрофобен материал и единият край на който е вкаран в кухината на тънкия - зазидани

пръта през отвора в долната му част, а консумативният електрод се премества чрез завинтване на тънкостенния прът в капаците на корпуса на горивната клетка, разположени от двете страни на корпуса и изработени от хидрофобен материал, гарантирайки, че електролитът се съхранява вътре в горивната клетка и отделящият се водород се отстранява от нейния корпус по винтовите повърхности на хидрофобните капаци.

Движението на консумативния електрод, навит върху тънкостенен прът със спирален жлеб, възниква в резултат на завинтването му в капаци, изработени от хидрофобен материал (флуоропласт, ps, полиетилен), докато електролитът остава вътре в горивната клетка , а отделеният по време на работа водород се отстранява по спиралната повърхност на тялото на горивната клетка.

Цилиндричната образуваща за консумативния електрод е направена под формата на тънкостенен прът със спирален жлеб, върху който е навит електрод от алуминиева тел. Пръчката е изработена от диелектричен хидрофобен материал, който позволява да не взаимодейства с електролита. Пръчката с електрод от алуминиева тел увеличава активната площ на консумативния електрод и по този начин подобрява енергийните характеристики (количеството на приемания ток) на въздушно-алуминиевата горивна клетка.

Същността на изобретението е илюстрирана с чертежи, където:

на фиг. 1 показва въздушно-алуминиев източник на ток;

на фиг. 2 - изглед А на фиг. 1;

на фиг. 3 е изглед В на ФИГ. 1.

Въздушно-алуминиевата горивна клетка се състои от метален корпус 1 с отвори 2 за преминаване на въздух към трифазната граница, газодифузионен катод 3, електролит 4, 2 хидрофобни капака 5, разположени от двете страни на металния корпус 1, електрод под формата на тънкостенна пръчка 6, алуминиева тел 7, навита върху спирален жлеб.

Тъй като алуминиевата жица 7 се консумира, възниква корозия и пасивация на повърхността на електрода, което води до намаляване на големината на отстранения ток и отслабване на електрохимичния процес. За да активирате процеса, е необходимо да завинтите тънкостенен прът със спирален жлеб, в който е навита консумативна алуминиева тел, в хидрофобни капачки 5. Водородът се освобождава през спиралните повърхности на хидрофобните капачки 5, докато електролитът остава вътре в металния корпус 1 на горивната клетка.

Този метод дава възможност за автоматизиране на процеса на подмяна на анода (консумативен електрод) във въздушно-алуминиев източник на ток (HAPS) без прекъсване на захранващата верига, както и отстраняване на отделения по време на работа водород.

Метод за въвеждане на консумативен електрод във въздушно-алуминиева горивна клетка, който включва преместване на консумативен електрод, докато се износва вътре в тялото на горивната клетка, характеризиращ се с това, че се използва консумативен електрод под формата на алуминиева жица, която е навита върху спирален жлеб на тънкостенен прът, изработен от диелектричен хидрофобен материал и единият край, който се вкарва в кухината на тънкостенния прът през отвор в долната му част, а движението на консумативния електрод се осъществява чрез завинтване тънкостенният прът в капачките на корпуса на горивната клетка, разположени от двете страни на корпуса и изработени от хидрофобен материал, гарантирайки, че електролитът се съхранява вътре в горивната клетка и се отстранява от корпусите на отделящия се водород по спиралната повърхност на хидрофобни капаци.

Подобни патенти:

Настоящото изобретение се отнася до енергиен генератор с горивна клетка, специално проектиран като устройство в режим на готовност при липса на захранване от електрическата мрежа.

Настоящото изобретение се отнася до газов генератор за преобразуване на гориво в газ с обеднен кислород и/или богат на водород газ, който може да се използва във всеки процес, изискващ газ с обеднен кислород и/или богат на водород газ, за предпочитане използван за генериране на защитен газ или редуциращ газ за стартиране, изключване или аварийно изключване на горивна клетка с твърд оксид (SOFC) или клетка за електролиза с твърд оксид (SOEC).

Изобретението се отнася до технологията на горивните клетки, и по-специално до комплекта от горивни клетки от твърд оксид. ЕФЕКТ: Осигуряване на компактност, лекота на прехода батерия/система и подобряване на характеристиките на системата.

Изобретението се отнася до електроцентрали с твърди полимерни горивни клетки (FC), в които електричеството се генерира чрез електрохимична реакция на водороден газ с въглероден диоксид и електрохимична реакция на въглероден оксид с атмосферен кислород.

Осигурена е система с горивна клетка (100), включваща горивна клетка (1) за генериране на енергия чрез извършване на електрохимична реакция между окислителен газ, подаден към окислителен електрод (34) и горивен газ, подаден към горивен електрод (67); система за подаване на горивен газ (HS) за подаване на горивен газ към горивния електрод (67); и контролер (40) за регулиране на системата за захранване с горивен газ (HS) за подаване на горивен газ към горивния електрод (67), като контролерът (40) извършва промяна на налягането, когато страничният изход на горивния електрод (67) е затворен, контролерът (40) периодично променя налягането на горивния газ при горивния електрод (67) въз основа на първия профил на промяна на налягането, за да осъществи промяна на налягането при първата промяна на налягането (WP1).

Изобретението се отнася до метод за производство на метален стоманен сепаратор за горивни клетки, който има устойчивост на корозия и контактна устойчивост не само в началния етап, но също и след излагане на условия на висока температура и/или висока влажност в горивната клетка за дълъг период от време от време.

Изобретението се отнася до твърди оксидни горивни клетки с възможност за вътрешен реформинг. Горивна клетка с твърд оксид обикновено включва катод, електролит, анод и слой катализатор в контакт с анода.

Настоящото изобретение се отнася до провеждаща алкални катиони керамична мембрана, имаща поне част от нейната повърхност, покрита със слой от провеждащ органичен катион полиелектролит, който е неразтворим и химически стабилен във вода при основно рН.

Изобретението се отнася до химически източници на ток с газодифузионен въздушен катод, метален анод и водни електролитни разтвори. Същността на източника на ток метал-въздух съдържа тяло, напълнено с електролит, метален анод, поставен вътре в него, газодифузионни въздушни катоди, разположени от двете страни на металния анод. В същото време газодифузионните въздушни катоди имат централни напречни завои и са отделени от металния анод чрез електролитно пропускливи порести сепаратори, изработени от материал с високо омично съпротивление. Металният анод има формата на правоъгълен паралелепипед, съединен с клин, като клинът лежи върху споменатите порести сепаратори. Предложеният източник на ток метал-въздух има увеличен специфичен капацитет, стабилни характеристики и удължен експлоатационен живот, тъй като позволява да се увеличи съотношението на масата на разтварящата се част на металния анод към обема на електролита и следователно специфичния енергоемкост и време на работа на източника на ток без подмяна на металния анод. 10 ил., 2 пр.

Изобретението се отнася до източници на енергия, а именно до методи за подмяна на консумативен електрод във въздушно-алуминиева горивна клетка без прекъсване на захранващата верига. Използва се консумативен електрод под формата на алуминиева жица, която е навита върху спирален жлеб на тънкостенен прът, изработен от диелектричен хидрофобен материал. Единият край на телта се вкарва в кухината на тънкостенния прът през отвор в долната му част. Консумативният електрод се премества чрез завинтване на тънкостенен прът в капаците на корпуса на горивната клетка, разположен от двете страни на корпуса и изработен от хидрофобен материал, осигуряващ запазване на електролита вътре в горивната клетка и отстраняване на отделящия се водород от неговия корпус по спиралната повърхност на хидрофобните капаци. Технически ефект: повишена енергийна ефективност на горивната клетка. 3 болен.

Тя е първата в света, която произвежда въздушно-алуминиева батерия, подходяща за използване в автомобил. 100 кг Al-Air батерия съдържа достатъчно енергия, за да захрани компактен пътнически автомобил за 3000 км. Phinergy проведе демонстрация на технологията със Citroen C1 и опростена версия на батерията (плочи 50 x 500g в кутия, пълна с вода). Колата измина 1800 км с едно зареждане, като спираше само за попълване на запасите от вода - консуматив електролит ( видео).

Алуминият няма да замени литиево-йонните батерии (не се зарежда от електрически контакт), но е чудесно допълнение. В края на краищата, 95% от пътуванията автомобилът прави на къси разстояния, където има достатъчно стандартни батерии. Допълнителна батерия осигурява резервно копие, в случай че батерията се изтощи или ако трябва да пътувате надалеч.

Алуминиевата въздушна батерия генерира ток чрез химическа реакция на метала с кислорода от околния въздух. Алуминиева плоча - анод. Клетката е покрита от двете страни с порест материал със сребърен катализатор, който филтрира CO 2 . Металните елементи бавно се разграждат до Al(OH) 3 .

Химическата формула на реакцията изглежда така:

4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O \u003d 4 Al (OH) 3 + 2,71 V

Това не е някаква сензационна новост, а добре позната технология. Той отдавна се използва от военните, тъй като такива елементи осигуряват изключително висока енергийна плътност. Но преди инженерите не можеха да решат проблема с филтрирането на CO 2 и свързаното с това карбонизиране. Phinergy твърди, че е решил проблема и още през 2017 г. е възможно да се произвеждат алуминиеви батерии за електрически превозни средства (и не само за тях).

Литиево-йонните батерии на Tesla Model S тежат около 1000 кг и осигуряват пробег от 500 км (при идеални условия, реално 180-480 км). Да речем, ако ги намалите до 900 кг и добавите алуминиева батерия, тогава масата на колата няма да се промени. Обхватът от батерията ще намалее с 10-20%, но максималният пробег без зареждане ще се увеличи точно до 3180-3480 км! Можете да карате от Москва до Париж и нещо друго ще остане.

В някои отношения това е подобно на концепцията за хибридна кола, но не изисква скъп и обемист двигател с вътрешно горене.

Недостатъкът на технологията е очевиден - алуминиево-въздушната батерия ще трябва да се смени в сервиз. Вероятно веднъж годишно или повече. Това обаче е доста рутинна процедура. Tesla Motors миналата година показа как батериите на Model S се сменят за 90 секунди ( любителско видео).

Други недостатъци са енергоемкостта на производството и, вероятно, високата цена. Производството и рециклирането на алуминиеви батерии изисква много енергия. Тоест от екологична гледна точка използването им само увеличава общото потребление на електроенергия в цялата икономика. Но от друга страна, потреблението е по-оптимално разпределено - напуска големите градове към отдалечени райони с евтина енергия, където има водноелектрически централи и металургични заводи.

Не е известно и колко ще струват такива батерии. Въпреки че самият алуминий е евтин метал, катодът съдържа скъпо сребро. Phinergy не разкрива точно как е направен патентованият катализатор. Може би това е сложен процес.

Но въпреки всичките си недостатъци, алуминиево-въздушната батерия все още изглежда като много удобно допълнение към електрически автомобил. Поне като временно решение за следващите години (десетилетия?) докато изчезне проблемът с капацитета на батерията.

Phinergy, междувременно, експериментира с "акумулаторна"

Френската компания Renault предлага да използва алуминиево-въздушни батерии от Phinergy в бъдещите електрически превозни средства. Нека да разгледаме техните перспективи.

Renault реши да заложи на нов тип батерия, която може да увеличи пробега с едно зареждане седем пъти. При запазване на размера и теглото на днешните батерии. Алуминиево-въздушните (Al-въздух) клетки имат феноменална енергийна плътност (8000 W/kg, срещу 1000 W/kg за традиционните батерии), генерирайки я по време на реакцията на окисляване на алуминия във въздуха. Такава батерия съдържа положителен катод и отрицателен анод, изработени от алуминий, а между електродите е течен електролит на водна основа.

Разработчикът на батерии Phinergy заяви, че е постигнал голям напредък в разработването на такива батерии. Тяхното предложение е да се използва катализатор, изработен от сребро, което позволява ефективното използване на кислорода, съдържащ се в обикновения въздух. Този кислород се смесва с течния електролит и по този начин освобождава електрическата енергия, съдържаща се в алуминиевия анод. Основният нюанс е „въздушният катод“, който действа като мембрана във вашето зимно яке - през него преминава само O2, а не въглероден диоксид.

Каква е разликата от традиционните батерии? Последните са с напълно затворени клетки, докато Al-air елементите се нуждаят от външен елемент, който да "задейства" реакцията. Важен плюс е фактът, че батерията Al-air действа като дизелов генератор - произвежда енергия само когато я включите. И когато „изключите въздуха“ на такава батерия, целият й заряд остава на мястото си и не изчезва с времето, както при конвенционалните батерии.

Al-air батериите използват алуминиев електрод по време на работа, но той може да бъде направен сменяем, като касета в принтер. Зареждането трябва да се извършва на всеки 400 км, то ще се състои в добавяне на нов електролит, което е много по-лесно, отколкото да чакате обикновена батерия да се зареди.

Phinergy вече създаде електрически Citroen C1, който е оборудван с 25 кг батерия с капацитет 100 kWh. Дава запас от мощност от 960 км. С двигател от 50 kW (около 67 конски сили), колата достига скорост от 130 km / h, ускорява до стотици за 14 секунди. Подобна батерия се тества и на Renault Zoe, но нейният капацитет е 22 kWh, максималната скорост на автомобила е 135 km / h, 13,5 секунди до „стотици“, но само 210 km резерв на мощност.

Новите батерии са по-леки, наполовина по-евтини от литиево-йонните батерии и в бъдеще по-лесни за работа от сегашните. И засега единственият им проблем е алуминиевият електрод, който е труден за производство и смяна. Веднага щом този проблем бъде решен, можем спокойно да очакваме още по-голяма вълна от популярност на електрическите превозни средства!

, 20 януари 2015 г