Hemijski izvori struje sa stabilnim i visokim specifičnim karakteristikama jedan su od najvažnijih uslova za razvoj komunikacija.
Trenutno se potrebe korisnika za električnom energijom za komunikacije uglavnom podmiruju korištenjem skupih galvanskih ćelija ili baterija.
Baterije su relativno autonomni izvori energije, jer zahtijevaju periodično punjenje iz mreže. Punjači koji se koriste za ovu svrhu su skupi i nisu uvijek u mogućnosti pružiti povoljne uvjete punjenja. Tako se baterija Sonnenschein, proizvedena tehnologijom dryfit, mase 0,7 kg i kapaciteta 5 Ah, puni u roku od 10 sati, a pri punjenju je potrebno pridržavati se standardnih vrijednosti struje, napona i punjenja. vrijeme. Punjenje se prvo vrši konstantnom strujom, a zatim konstantnim naponom. U tu svrhu koriste se skupi punjači sa softverskom kontrolom.
Galvanske ćelije su potpuno autonomne, ali obično imaju malu snagu i ograničen kapacitet. Kada se energija uskladištena u njima iscrpi, oni se odlažu, zagađujući životnu sredinu. Alternativa suhim izvorima su vazdušno-metalni mehanički punjivi izvori, čije su neke energetske karakteristike date u tabeli 1.
Tabela 1- Parametri nekih elektrohemijskih sistema
|
Elektrohemijski sistem |
Teorijski parametri |
Praktični parametri |
||
|
Specifična energija, Wh/kg |
Napon, V |
Specifična energija, Wh/kg |
||
|
Vazdušno-aluminijum |
||||
|
Vazduh-magnezijum |
||||
|
Cink zrak |
||||
|
Nikl metal hidrid |
||||
|
Nikl-kadmijum |
||||
|
Mangan-cink |
||||
|
Mangan-litijum |
||||
Kao što se vidi iz tabele, vazdušno-metalni izvori, u poređenju sa drugim široko korišćenim sistemima, imaju najviše teorijske i praktično izvodljive energetske parametre.
Vazdušno-metalni sistemi su implementirani znatno kasnije, a njihov razvoj je i dalje manje intenzivan od postojećih izvora drugih elektrohemijskih sistema. Međutim, ispitivanja prototipova domaćih i stranih kompanija pokazala su njihovu dovoljnu konkurentnost.
Pokazalo se da legure aluminija i cinka mogu raditi u alkalnim i slanim elektrolitima. Magnezijum se nalazi samo u elektrolitima soli, a njegovo intenzivno otapanje se dešava i tokom generisanja struje i u pauzama.
Za razliku od magnezijuma, aluminijum se otapa u elektrolitima soli samo kada se stvori struja. Alkalni elektroliti su najperspektivniji za cink elektrode.
Vazdušno-aluminijski izvori struje (AAIT)
Na bazi aluminijskih legura stvoreni su mehanički punjivi izvori struje sa elektrolitom na bazi kuhinjske soli. Ovi izvori su apsolutno autonomni i mogu se koristiti za napajanje ne samo komunikacijske opreme, već i za punjenje baterija, napajanje raznih kućnih aparata: radio-uređaja, televizora, mlinova za kafu, električnih bušilica, lampi, električnih fenova za kosu, lemilica, hladnjaka male snage , centrifugalne pumpe itd. Apsolutna autonomija izvora omogućava da se koristi u terenskim uslovima, u regionima bez centralizovanog napajanja, na mestima katastrofa i elementarnih nepogoda.
VAIT se puni u roku od nekoliko minuta, što je potrebno za punjenje elektrolita i/ili zamjenu aluminijskih elektroda. Za punjenje vam je potrebna samo kuhinjska so, voda i zaliha aluminijskih anoda. Kao jedan od aktivnih materijala koristi se kisik zraka koji se reducira na katodama od ugljika i fluoroplasta. Katode su prilično jeftine, osiguravaju da izvor radi dugo vremena i stoga imaju zanemariv utjecaj na cijenu proizvedene energije.
Trošak električne energije dobijene u VAIT-u određen je uglavnom samo troškovima periodične zamjene anoda, ne uključuje troškove oksidatora, materijala i tehnoloških procesa koji osiguravaju performanse tradicionalnih galvanskih ćelija i stoga je 20 puta niži; nego trošak energije dobijene iz takvih autonomnih izvora kao što su alkalni elementi mangan-cink.
tabela 2- Parametri vazdušno-aluminijumskih izvora struje
|
tip baterije |
Marka baterije |
Broj elemenata |
Masa elektrolita, kg |
Kapacitet elektrolita, Ah |
Težina anodnog seta, kg |
Kapacitet anode, Ah |
Težina baterije, kg |
|
|
Potopno |
||||||||
|
Poured |
||||||||
Trajanje neprekidnog rada određuje se količinom potrošene struje, zapreminom elektrolita ulivenog u ćeliju i iznosi 70 - 100 Ah/l. Donja granica je određena viskoznošću elektrolita pri kojoj je moguća njegova slobodna drenaža. Gornja granica odgovara smanjenju karakteristika elementa za 10-15%, međutim, kada se to postigne, uklanjanje mase elektrolita zahtijeva upotrebu mehaničkih uređaja koji mogu oštetiti kisikovu (zračnu) elektrodu.
Viskoznost elektrolita se povećava kako postaje zasićen suspenzijom aluminij hidroksida. (Aluminijum hidroksid se prirodno javlja u obliku gline ili glinice i odličan je proizvod za proizvodnju aluminijuma i može se reciklirati u proizvodnju.)
Zamjena elektrolita se vrši za nekoliko minuta. VAIT može raditi sa novim porcijama elektrolita do isteka vijeka trajanja anode, koja sa debljinom od 3 mm iznosi 2,5 Ah/cm 2 geometrijske površine. Ako su se anode otopile, zamjenjuju se novima u roku od nekoliko minuta.
Samopražnjenje HAIT-a je vrlo malo, čak i kada se skladišti sa elektrolitom. Ali zbog činjenice da se VAIT može skladištiti bez elektrolita u pauzi između pražnjenja, njegovo samopražnjenje je zanemarivo. Vijek trajanja VAIT-a je ograničen vijekom trajanja plastike od koje je napravljen VAIT bez elektrolita može se skladištiti do 15 godina.
Ovisno o zahtjevima potrošača, HAIT se može modificirati uzimajući u obzir činjenicu da 1 element ima napon od 1 V pri gustoći struje od 20 mA/cm 2, a struja koja se uklanja iz HAIT-a određena je površinom elektroda.
Istraživanja procesa koji se odvijaju na elektrodama i u elektrolitu sprovedena u MPEI (TU) omogućila su stvaranje dva tipa vazdušno-aluminijumskih izvora struje – sipanih i uronjenih (tabela 2).
Popunivi HAIT
Popunjeni VAIT se sastoji od 4-6 elemenata. Element izlivenog VAIT-a (slika 1) je pravougaona posuda (1), u čijim je suprotnim zidovima ugrađena katoda (2). Katoda se sastoji od dva dijela, električno spojena u jednu elektrodu sabirnicom (3). Između katoda nalazi se anoda (4), čiji je položaj fiksiran vodilicama (5). Dizajn elementa, patentiran od strane autora /1/, omogućava smanjenje negativnog uticaja aluminijum hidroksida koji nastaje kao finalni proizvod organizovanjem unutrašnje cirkulacije. U tu svrhu, element u ravnini okomitoj na ravan elektroda podijeljen je pregradama na tri dijela. Pregrade služe i kao vodilice za anodne klizače (5). Srednji dio sadrži elektrode. Mjehurići plina koji se oslobađaju tokom rada anode podižu suspenziju hidroksida zajedno sa strujom elektrolita, koji tone na dno u druga dva dijela elementa.
Slika 1- Dijagram elemenata
Dovod zraka do katoda u VAIT-u (slika 2) vrši se kroz otvore (1) između elemenata (2). Vanjske katode su zaštićene od vanjskih mehaničkih utjecaja bočnim pločama (3). Neprolijevanje konstrukcije je osigurano upotrebom poklopca koji se brzo skida (4) sa brtvom (5) od porozne gume. Zatezanje gumene zaptivke postiže se pritiskom poklopca na VAIT tijelo i fiksiranjem u tom stanju pomoću opružnih stezaljki (nije prikazano na slici). Plin se oslobađa kroz posebno dizajnirane porozne hidrofobne ventile (6). Elementi (1) u bateriji su povezani serijski. Pločaste anode (9), čija je konstrukcija razvijena u MPEI, imaju fleksibilne strujne kolektore sa konektorskim elementom na kraju. Konektor, čiji je spojni dio spojen na katodni blok, omogućava vam da brzo odspojite i spojite anodu prilikom zamjene. Kada su sve anode spojene, VAIT elementi su povezani u seriju. Najudaljenije elektrode su spojene na VAIT borne (10) također preko konektora.
1 - zračni raspor, 2 - element, 3 - zaštitni panel, 4 - poklopac, 5 - katodna sabirnica, 6 - brtva, 7 - ventil, 8 - katoda, 9 - anoda, 10 - rođen
Slika 2- VAIT koji se može popuniti
Potopni HAIT
Potopljeni HAIT (slika 3) je izliveni VAIT okrenut naopačke. Katode (2) su okrenute aktivnim slojem prema van. Kapacitet ćelije u koji je uliven elektrolit pregradom je podeljen na dva dela i služi za odvojeno dovod vazduha u svaku katodu. Anoda (1) je ugrađena u otvor kroz koji se dovod zraka do katoda. HAIT se ne aktivira sipanjem elektrolita, već uranjanjem u elektrolit. Elektrolit je prethodno napunjen i uskladišten između pražnjenja u rezervoaru (6), koji je podeljen u 6 nepovezanih delova. Kao rezervoar koristi se baterijski monoblok 6ST-60TM.
1 - anoda, 4 - katodna komora, 2 - katoda, 5 - gornji panel, 3 - klizač, 6 - rezervoar za elektrolit
Slika 3- Potopni vazdušno-aluminijumski element u panelu modula
Ovaj dizajn vam omogućuje brzo rastavljanje baterije, uklanjanje modula s elektrodama i manipulaciju prilikom punjenja i pražnjenja elektrolita ne s baterijom, već s spremnikom čija je masa s elektrolitom 4,7 kg. Modul kombinuje 6 elektrohemijskih elemenata. Elementi se montiraju na gornju ploču (5) modula. Težina modula sa setom anoda je 2 kg. Uzastopnim povezivanjem modula prikupljeni su VAIT-ovi od 12, 18 i 24 elementa. Nedostaci zračno-aluminijskog izvora uključuju prilično visok unutarnji otpor, nisku gustoću snage, nestabilnost napona tijekom pražnjenja i pad napona kada je uključen. Svi ovi nedostaci se izravnavaju kada se koristi kombinovani izvor struje (CPS), koji se sastoji od VAIT-a i baterije.
Kombinovani izvori struje
Krivulja pražnjenja “potopljenog” izvora 6VAIT50 (slika 4) pri punjenju zatvorene olovno-kiselinske baterije 2SG10 kapaciteta 10 Ah karakterizira, kao i kod napajanja drugih opterećenja, padom napona u prvim sekundama pri opterećenju. je povezan. U roku od 10 -15 minuta napon se povećava na radni napon, koji ostaje konstantan tokom cijelog HAIT pražnjenja. Dubina rupe određena je stanjem površine aluminijske anode i njenom polarizacijom.
Slika 4- Kriva pražnjenja 6VAIT50 sa punjenjem 2SG10
Kao što znate, proces punjenja baterije se događa samo kada je napon na izvoru koji opskrbljuje energiju veći od napona na bateriji. Pad početnog HAIT napona dovodi do toga da se baterija počinje prazniti na HAIT-u i posljedično tome na HAIT elektrodama počinju da se javljaju obrnuti procesi koji mogu dovesti do pasivizacije anoda.
Kako bi se spriječili neželjeni procesi, dioda je ugrađena u krug između VAIT-a i baterije. U ovom slučaju, VAIT napon pražnjenja pri punjenju baterije određen je ne samo naponom baterije, već i padom napona na diodi:
U VAIT = U ACC + ΔU DIODA (1)
Uvođenje diode u krug dovodi do povećanja napona i na VAIT-u i na bateriji. Učinak prisustva diode u kolu je ilustrovan na Sl. 5, koji pokazuje promjenu razlike napona između VAIT-a i baterije pri punjenju baterije naizmjenično sa i bez diode u krugu.
Tokom procesa punjenja baterije u odsustvu diode, razlika napona ima tendenciju smanjenja, tj. smanjenje efikasnosti rada VAIT-a, dok u prisustvu diode razlika, a samim tim i efikasnost procesa ima tendenciju povećanja.
Slika 5- Razlika napona između 6VAIT125 i 2SG10 pri punjenju sa i bez diode
Slika 6- Promjena struja pražnjenja 6VAIT125 i 3NKGK11 pri napajanju potrošača
Slika 7- Promjena specifične energije CIT (VAIT - olovno-kiselinska baterija) sa povećanjem udjela vršnog opterećenja
Komunikacijska oprema obično troši energiju pod varijabilnim opterećenjima, uključujući vršna opterećenja. Modelirali smo ovu vrstu potrošnje pri napajanju potrošača sa osnovnim opterećenjem od 0,75 A i vršnim opterećenjem od 1,8 A iz jedinice za napajanje koju čine 6VAIT125 i 3NKGK11. Priroda promjene struja koje generiraju (potroše) komponente CIT-a prikazana je na Sl. 6.
Slika pokazuje da u osnovnom načinu rada, HAIT osigurava struju dovoljnu za napajanje osnovnog opterećenja i punjenje baterije. U slučaju vršnog opterećenja, potrošnju osigurava struja koju generiraju VAIT i baterija.
Naša teorijska analiza je pokazala da je specifična energija CIT kompromis između specifične energije HAIT-a i baterije i raste sa smanjenjem udjela vršne energije (slika 7). Specifična snaga CIT-a je veća od specifične snage VAIT-a i raste sa povećanjem udjela vršnog opterećenja.
zaključci
Stvoreni su novi izvori struje na bazi elektrohemijskog sistema vazduh-aluminijum sa rastvorom kuhinjske soli kao elektrolitom, energetskog kapaciteta oko 250 Ah i specifične energije preko 300 Wh/kg.
Razvijeni izvori se pune u roku od nekoliko minuta mehaničkom zamjenom elektrolita i/ili anoda. Samopražnjenje izvora je zanemarljivo i stoga se mogu čuvati 15 godina prije aktiviranja. Razvijene su varijante izvora koje se razlikuju po metodi aktivacije.
Proučavan je rad vazdušno-aluminijskih izvora pri punjenju baterije iu sklopu kombinovanog izvora. Pokazano je da su specifična energija i specifična snaga CIT-a kompromisne vrijednosti i zavise od udjela vršnog opterećenja.
VAIT i KIT zasnovani na njima su apsolutno autonomni i mogu se koristiti za napajanje ne samo komunikacione opreme, već i za napajanje različite opreme za domaćinstvo: električnih mašina, lampi, frižidera male snage itd. Apsolutna autonomija izvora omogućava da se koristi se u terenskim uslovima, u regionima koji nemaju centralizovano napajanje, na mestima katastrofa i elementarnih nepogoda.
BIBLIOGRAFIJA
- RF Patent br. 2118014. Metal-vazdušni element./ Djačkov E.V., Kleimenov B.V., Korovin N.V., // MPK 6 N 01 M 12/06. 2/38. prog. 17.06.97 publ. 20.08.98
- Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A. // Abstr. Second Symp. na New Mater. za gorivne ćelije i moderne sisteme baterija. 6-10 jul. 1997. Montreal. Kanada. v 97-7.
- Korovin N.V., Klejmenov B.V. Bilten MPEI (u štampi).
Rad se odvijao u okviru programa „Naučno istraživanje visokog obrazovanja u prioritetnim oblastima nauke i tehnologije“
Kandidat tehničkih nauka E. KULAKOV, Kandidat tehničkih nauka S. SEVRUK, Kandidat hemijskih nauka A. FARMAKOVSKAYA.
Elektrana bazirana na vazdušno-aluminijumskim elementima zauzima samo deo prtljažnika automobila i pruža domet do 220 kilometara.
Princip rada vazdušno-aluminijumskog elementa.
Radom elektrane na bazi zračno-aluminijskih elemenata upravlja mikroprocesor.
Vazdušno-aluminijumska ćelija male veličine sa slanim elektrolitom može zamijeniti četiri baterije.
Nauka i život // Ilustracije
Elektrana EU 92VA-240 na vazdušno-aluminijumskim elementima.
Čovječanstvo se, po svemu sudeći, neće odreći automobila. Štaviše, zemaljska automobilska flota bi se uskoro mogla približno udvostručiti - uglavnom zbog masovne motorizacije Kine.
U međuvremenu, automobili koji jure putevima ispuštaju u atmosferu hiljade tona ugljen-monoksida - istog tog gasa, čije je prisustvo u vazduhu u količinama većim od desetine procenta pogubno za ljude. I pored ugljičnog monoksida - i mnogih tona dušikovih oksida i drugih otrova, alergena i kancerogena - proizvodi nepotpunog sagorijevanja benzina.
Širom svijeta dugo se traži alternativa automobilu s motorom s unutrašnjim sagorijevanjem. A najrealnijim od njih smatra se električni automobil (vidi “Nauka i život” br. 8, 9, 1978). Prvi električni automobili na svijetu nastali su u Francuskoj i Engleskoj na samom početku 80-ih godina prošlog stoljeća, odnosno nekoliko godina ranije od automobila s motorima s unutrašnjim sagorijevanjem (ICE). I prva samohodna kočija koja se pojavila, na primjer, 1899. godine u Rusiji bila je električna.
Vučni motor u takvim električnim automobilima pokretali su pretjerano teške olovno-kiselinske baterije s energetskim kapacitetom od samo 20 vat-sati (17,2 kilokalorije) po kilogramu. To znači da je za "hranjenje" motora snage 20 kilovata (27 konjskih snaga) najmanje sat vremena bila potrebna olovna baterija od 1 tone. Količina benzina koja mu je ekvivalentna u smislu uskladištene energije zauzima rezervoar za gas kapaciteta samo 15 litara. Zato je tek pronalaskom motora sa unutrašnjim sagorevanjem proizvodnja automobila počela naglo da raste, a električni automobili su decenijama smatrani ćorsokakom u automobilskoj industriji. I samo ekološki problemi koji su se pojavili pred čovječanstvom natjerali su dizajnere da se vrate ideji električnih automobila.
Sama po sebi, zamjena motora s unutrašnjim sagorijevanjem električnim motorom je, naravno, primamljiva: s istom snagom, elektromotor je i lakši i lakši za upravljanje. Ali čak i sada, više od 100 godina nakon što su automobilske baterije prvi put predstavljene, energetski sadržaj (tj. uskladištena energija) čak i onih najboljih ne prelazi 50 vat-sati (43 kilokalorije) po kilogramu. I stoga, težina ekvivalenta rezervoara za gas ostaje stotinama kilograma baterija.
Ako uzmemo u obzir potrebu za višesatnim punjenjem baterija, ograničen broj ciklusa punjenja-pražnjenja i, kao posljedicu, relativno kratak vijek trajanja, kao i probleme sa odlaganjem istrošenih baterija, onda moramo priznati da akumulatorsko električno vozilo još nije pogodno za ulogu masovnog transporta.
Međutim, došlo je vrijeme da se kaže da električni motor može primati energiju iz druge vrste kemijskog izvora struje - galvanskih elemenata. Najpoznatije od njih (tzv. baterije) rade u prijenosnim prijemnicima i diktafonima, u satovima i baterijskim lampama. Rad takve baterije, kao i svakog drugog izvora kemijske struje, temelji se na jednoj ili drugoj redoks reakciji. A to je, kao što je poznato iz školskog kursa hemije, praćeno prijenosom elektrona s atoma jedne tvari (reduktor) na atome druge (oksidacijsko sredstvo). Ovaj prijenos elektrona može se obaviti preko vanjskog kola, poput sijalice, mikrokola ili motora, i na taj način učiniti da elektroni rade.
U tu svrhu, redoks reakcija se odvija kao u dva koraka - podijeljena je, da tako kažem, na dvije polureakcije koje se događaju istovremeno, ali na različitim mjestima. Na anodi redukciono sredstvo predaje svoje elektrone, odnosno oksidira se, a na katodi oksidaciono sredstvo prihvata te elektrone, odnosno redukuje se. Sami elektroni, koji teku od katode do anode kroz vanjsko kolo, obavljaju koristan posao. Ovaj proces, naravno, nije beskonačan, jer se i oksidant i redukcioni agens postepeno troše, stvarajući nove supstance. Kao rezultat toga, trenutni izvor se mora baciti. Moguće je, međutim, kontinuirano ili s vremena na vrijeme uklanjati produkte reakcije nastale u njemu iz izvora, a zauzvrat u njega unositi sve više i više novih reagensa. U ovom slučaju djeluju kao gorivo, pa se zato takvi elementi nazivaju gorivom (vidi “Nauka i život” br. 9, 1990).
Učinkovitost takvog izvora struje prvenstveno je određena time koliko su dobro odabrani i sami reagensi i njihov način rada. Nema posebnih problema sa izborom oksidacionog sredstva, jer se vazduh oko nas sastoji od više od 20% odličnog oksidacionog sredstva - kiseonika. Što se tiče reduktora (odnosno goriva), situacija s njim je nešto složenija: morate ga nositi sa sobom. I stoga, pri odabiru, prije svega se mora polaziti od takozvanog indikatora mase-energije - korisne energije koja se oslobađa tijekom oksidacije jedinice mase.
Najbolja svojstva u tom pogledu ima vodonik, zatim neki alkalni i zemnoalkalni metali, a zatim aluminijum. Ali vodonik je zapaljiv i eksplozivan, a pod visokim pritiskom može procuriti kroz metale. Može se ukapljivati samo na veoma niskim temperaturama, a skladištenje je prilično teško. Alkalni i zemnoalkalni metali su također opasni od požara i, osim toga, brzo oksidiraju u zraku i otapaju se u vodi.
Aluminijum nema nijedan od ovih nedostataka. Uvijek prekriven gustim filmom oksida, uz svu svoju kemijsku aktivnost gotovo da ne oksidira na zraku. Aluminij je relativno jeftin i netoksičan, a njegovo skladištenje ne stvara nikakve probleme. Problem uvođenja u izvor struje je također potpuno rješiv: anodne ploče se prave od gorivnog metala, koje se povremeno mijenjaju kako se rastvaraju.
I konačno, elektrolit. U ovom elementu može biti bilo koja vodena otopina: kisela, alkalna ili slana, jer aluminij reagira i sa kiselinama i sa alkalijama, a ako je oksidni film oštećen, on se također otapa u vodi. Ali poželjno je koristiti alkalni elektrolit: lakše je provesti drugu polu-reakciju - redukciju kisika. Takođe se redukuje u kiseloj sredini, ali samo u prisustvu skupog platinastog katalizatora. U alkalnom okruženju možete se snaći sa mnogo jeftinijim katalizatorom - kobaltom ili nikl oksidom ili aktivnim ugljenom, koji se unose direktno u poroznu katodu. Što se tiče elektrolita soli, on ima manju električnu provodljivost, a izvor struje napravljen na njegovoj osnovi ima približno 1,5 puta manji energetski intenzitet. Stoga je preporučljivo koristiti alkalni elektrolit u snažnim automobilskim akumulatorima.
Međutim, ima i nedostatke, od kojih je glavni anodna korozija. Teče paralelno s glavnom reakcijom koja stvara struju i rastvara aluminij, pretvarajući ga u natrijev aluminat uz istovremeno oslobađanje vodika. Istina, ova nuspojava se javlja manje-više primjetnom brzinom samo u odsustvu vanjskog opterećenja, zbog čega se zračno-aluminijski izvori struje ne mogu - za razliku od akumulatora i baterija - držati napunjenim dugo vremena u stanju pripravnosti. U tom slučaju iz njih se mora ispustiti alkalna otopina. Ali pri normalnoj struji opterećenja, nuspojava je gotovo neprimjetna i efikasnost aluminija doseže 98%. Sam alkalni elektrolit ne postaje otpad: nakon filtriranja kristala aluminijum hidroksida iz njega, ovaj elektrolit se može izliti nazad u ćeliju.
Postoji još jedan nedostatak upotrebe alkalnog elektrolita u vazdušno-aluminijumskom izvoru struje: dosta vode se troši tokom njegovog rada. Ovo povećava koncentraciju alkalija u elektrolitu i može postupno promijeniti električne karakteristike ćelije. Međutim, postoji raspon koncentracije u kojem se ove karakteristike praktički ne mijenjaju, a ako radite u tom rasponu, dovoljno je samo s vremena na vrijeme dodati vodu u elektrolit. Tokom rada vazdušno-aluminijumskog izvora energije ne stvara se otpad u uobičajenom smislu te riječi. Uostalom, aluminij hidroksid dobiven razgradnjom natrijevog aluminata je jednostavno bijela glina, odnosno proizvod nije samo apsolutno ekološki prihvatljiv, već je i vrlo vrijedan kao sirovina za mnoge industrije.
Od njega se, na primjer, obično proizvodi aluminij, prvo zagrijavanjem da bi se dobio aluminij, a zatim podvrgavanjem rastopljene glinice elektrolizi. Zbog toga je moguće organizovati zatvoreni ciklus rada vazdušno-aluminijumskih izvora energije koji štedi resurse.
Ali aluminij hidroksid ima i samostalnu komercijalnu vrijednost: neophodan je u proizvodnji plastike i kablova, lakova, boja, stakla, koagulanata za pročišćavanje vode, papira, sintetičkih tepiha i linoleuma. Koristi se u radiotehničkoj i farmaceutskoj industriji, u proizvodnji svih vrsta adsorbenata i katalizatora, u proizvodnji kozmetike, pa čak i nakita. Uostalom, mnoga umjetna dragog kamenja - rubini, safiri, aleksandriti - izrađeni su na bazi aluminijevog oksida (korunda) s manjim nečistoćama kroma, titana ili berilija.
Cijena "otpada" izvora struje zrak-aluminij prilično je srazmjerna cijeni originalnog aluminija, a njihova masa je tri puta veća od mase originalnog aluminija.
Zašto, i pored svih nabrojanih prednosti kiseonik-aluminijumskih izvora struje, nisu se ozbiljno razvijali tako dugo - do samog kraja 70-ih? Samo zato što tehnologija nije bila tražena. I tek brzim razvojem energetski intenzivnih autonomnih potrošača kao što su avijacija i astronautika, vojna oprema i kopneni transport, situacija se promijenila.
Započeo je razvoj optimalnih anodno-elektrolitnih sastava sa visokim energetskim karakteristikama pri niskim stopama korozije, odabrane su jeftine zračne katode s maksimalnom elektrohemijskom aktivnošću i dugim vijekom trajanja, te su izračunati optimalni režimi kako za dugotrajan rad tako i za kratko vrijeme rada.
Razvijene su i sheme elektrana koje sadrže, pored samih izvora struje, niz pomoćnih sistema - dovod zraka, vodu, cirkulaciju elektrolita i njegovo prečišćavanje, termičku kontrolu, itd. Svaki od njih je sam po sebi prilično složen. , a za normalno funkcionisanje elektrane u cjelini bio je potreban mikroprocesorski upravljački sistem koji postavlja algoritme rada i interakcije za sve ostale sisteme. Primjer konstrukcije jedne od modernih zračno-aluminijskih instalacija prikazan je na slici (strana 63): debele linije označavaju protok fluida (cijevovodi), a tanke linije označavaju informacijske veze (signale senzora i upravljačke komande).
Poslednjih godina Moskovski državni institut za avijaciju (Tehnički univerzitet) - MAI, zajedno sa istraživačko-proizvodnim kompleksom izvora energije "Alternativna energija" - NPK IT "AltEN" stvorio je čitav niz funkcionalnih elektrana na bazi vazduh-aluminijum. elementi. Uključujući eksperimentalnu instalaciju 92VA-240 za električno vozilo. Njegov energetski intenzitet i, kao rezultat toga, domet električnog vozila bez punjenja pokazao se nekoliko puta višim nego kada se koriste baterije - i tradicionalne (nikl-kadmijum) i novorazvijene (sumpor-natrijum). Neke specifične karakteristike električnog vozila koje koristi ovu elektranu prikazane su na susednoj kartici u boji u poređenju sa karakteristikama automobila i električnog vozila na baterije. Ovo poređenje, međutim, zahtijeva određena objašnjenja. Činjenica je da se za automobil uzima u obzir samo masa goriva (benzin), a za oba električna vozila uzima se u obzir masa izvora struje u cjelini. S tim u vezi, treba napomenuti da električni motor ima znatno manju težinu od benzinskog motora, ne zahtijeva prijenos i nekoliko puta je energetski učinkovitiji. Ako sve ovo uzmemo u obzir, ispada da će stvarni dobitak trenutnog automobila biti 2-3 puta manji, ali i dalje prilično velik.
Instalacija 92VA-240 ima i druge - čisto operativne - prednosti. Punjenje aluminij-zračnih baterija uopće ne zahtijeva električnu utičnicu, već se svodi na mehaničku zamjenu rabljenih aluminijskih anoda novima, što ne traje više od 15 minuta. Još je lakše i brže zamijeniti elektrolit kako bi se iz njega uklonio talog aluminij hidroksida. Na stanici za dopunu goriva istrošeni elektrolit se regeneriše i koristi za punjenje električnih vozila, a iz njega izdvojen aluminijum hidroksid šalje se na reciklažu.
Pored elektrane na električna vozila zasnovanu na elementima vazduh-aluminijum, isti stručnjaci su kreirali niz malih elektrana (vidi „Nauka i život” br. 3, 1997). Svaka od ovih instalacija može se mehanički napuniti najmanje 100 puta, a taj broj je određen uglavnom vijekom trajanja porozne zračne katode. A rok trajanja ovih jedinica u nenapunjenom stanju uopće nije ograničen, jer nema gubitka kapaciteta tijekom skladištenja - nema samopražnjenja.
U aluminijsko-zračnim izvorima struje male snage za pripremu elektrolita možete koristiti ne samo alkalnu, već i običnu kuhinjsku sol: procesi u oba elektrolita se odvijaju na sličan način. Istina, energetski intenzitet izvora soli je 1,5 puta manji od alkalnih, ali oni zadaju mnogo manje problema korisniku. Elektrolit u njima je potpuno siguran, pa se čak i djetetu može vjerovati da će raditi s njim.
Zračno-aluminijski izvori struje za napajanje kućanskih aparata male snage već se masovno proizvode, a cijena im je prilično pristupačna. Što se tiče automobilske elektrane 92VA-240, ona trenutno postoji samo u pilot serijama. Jedan od njegovih eksperimentalnih uzoraka s nominalnom snagom od 6 kW (na naponu od 110 V) i kapacitetom od 240 amper-sati košta oko 120 hiljada rubalja u cijenama iz 1998. godine. Prema preliminarnim proračunima, ovaj trošak će nakon pokretanja masovne proizvodnje pasti na najmanje 90 hiljada rubalja, što će omogućiti proizvodnju električnog automobila po cijeni koja nije mnogo veća od automobila s motorom s unutarnjim sagorijevanjem. Što se tiče troškova upravljanja električnim automobilom, oni su sada prilično uporedivi sa troškovima upravljanja automobilom.
Jedino što je preostalo je da se izvrši detaljnija procjena i prošireno testiranje, a zatim, ako su rezultati pozitivni, započeti probni rad.
Vlasnici patenta RU 2561566:
Pronalazak se odnosi na izvore energije, posebno na izvore struje vazduh-aluminijum.
Poznat je hemijski izvor struje (Pat. RU 2127932), u kojem se aluminijumska elektroda takođe zamenjuje otvaranjem kućišta baterije, a zatim ugradnjom nove elektrode.
Nedostatak poznatih metoda umetanja elektrode u bateriju je taj što se tokom perioda zamjene elektrode baterija mora ukloniti iz strujnog kruga.
Poznata je baterija za gorivo (aplikacija RU 2011127181), u kojoj se potrošne elektrode u obliku traka provlače kroz tijelo baterije kroz zapečaćene vodove i zapečaćene vodove kako se proizvode pomoću bubnjeva za provlačenje, čime se osigurava uvođenje potrošnih elektroda u bateriju bez prekida lanca napajanja.
Nedostatak ove poznate metode je što zapečaćeni vodovi i zapečaćeni vodovi ne uklanjaju vodonik koji se oslobađa tokom rada iz baterije.
Tehnički rezultat izuma je osigurati automatsko umetanje elektrode sa povećanom radnom površinom potrošne elektrode u gorivu ćeliju bez prekida lanca opskrbe energijom, povećavajući energetske performanse gorivne ćelije.
Ovaj tehnički rezultat postignut je činjenicom da metoda uvođenja potrošne elektrode u gorivu ćeliju zrak-aluminij uključuje pomicanje potrošne elektrode kako se proizvodi unutar tijela gorivne ćelije. Prema izumu koristi se potrošna elektroda u obliku aluminijske žice, koja je namotana na spiralni žljeb šipke tankog zida od dielektričnog hidrofobnog materijala i čiji je jedan kraj umetnut u šupljinu tankog materijala. zidom
štap kroz otvor u njegovom donjem dijelu, a pomicanje potrošne elektrode vrši se uvrtanjem šipke tankih stijenki u poklopce kućišta gorivne ćelije, smještene s obje strane tijela i izrađene od hidrofobnog materijala, čime se osigurava očuvanje elektrolita unutar gorivne ćelije i uklanjanje oslobođenog vodonika iz njenog tijela duž vijčanih površina hidrofobnih poklopaca.
Kretanje potrošne elektrode, namotane na šipku tankog zida sa utorom za vijak, nastaje kao rezultat uvrtanja u poklopce koji su izrađeni od hidrofobnog materijala (fluoroplast, PS, lietilen), dok elektrolit ostaje unutar gorivne ćelije. , a vodonik koji se oslobađa tokom rada uklanja se kroz površine vijaka iz kućišta gorivne ćelije.
Cilindrična generatriksa za potrošnu elektrodu izrađena je u obliku šipke tankog zida sa spiralnim žlijebom na koji je namotana elektroda od aluminijske žice. Štap je napravljen od dielektričnog hidrofobnog materijala, što mu omogućava da ne komunicira sa elektrolitom. Šipka s elektrodom od aluminijske žice povećava aktivnu površinu potrošne elektrode i na taj način povećava energetske karakteristike (količina struje uklonjene) aluminij-vazdušne gorivne ćelije.
Suštinu pronalaska ilustruju crteži, gde:
na sl. 1 prikazuje vazdušno-aluminijumski izvor struje;
na sl. 2 - pogled A na Sl. 1;
na sl. 3 - pogled B na Sl. 1.
Vazdušno-aluminijumska gorivna ćelija sastoji se od metalnog kućišta 1 sa otvorima 2 za prolaz vazduha do trofazne granice, gasne difuzione katode 3, elektrolita 4, 2 hidrofobnih poklopaca 5 koji se nalaze sa obe strane metalnog kućišta 1 , elektroda u obliku šipke tankog zida 6, aluminijska žica 7 namotana na žljeb za vijak.
Trošenjem aluminijumske žice 7 dolazi do korozije i pasivizacije površine elektrode, što dovodi do smanjenja količine struje koja se uklanja i slabljenja elektrohemijskog procesa. Za aktiviranje procesa potrebno je u hidrofobne kapice 5 ušrafiti šipku tankog zida, sa žlijebom za vijak u koji je namotana potrošna aluminijska žica. Vodik se oslobađa kroz vijčane površine hidrofobnih kapica 5, dok elektrolit ostaje unutar metalnog tijela 1 gorivne ćelije.
Ova metoda vam omogućava da automatizirate proces zamjene anode (potrošne elektrode) u zračno-aluminijskom izvoru struje (AAIT) bez prekida strujnog kruga, kao i uklanjanje vodika koji se oslobađa tijekom rada.
Metoda za uvođenje potrošne elektrode u gorivu ćeliju zrak-aluminij, uključujući pomicanje potrošne elektrode kako se proizvodi unutar tijela gorivne ćelije, naznačena time što se potrošna elektroda koristi u obliku aluminijske žice, koja je namotana na žljeb za vijke tankosjedne šipke izrađene od dielektričnog hidrofobnog materijala i jedan kraj koji se kroz rupu u njenom donjem dijelu uvlači u šupljinu tankosjedne šipke, a vrši se pomicanje potrošne elektrode uvrtanjem šipke tankih stijenki u poklopce kućišta gorivne ćelije, smještene s obje strane kućišta i izrađene od hidrofobnog materijala, osiguravajući očuvanje elektrolita unutar gorivne ćelije i uklanjanje iz kućišta oslobođenog vodika duž navojna površina hidrofobnih kapica.
Slični patenti:
Ovaj pronalazak se odnosi na električni generator na gorive ćelije posebno dizajniran kao rezervni uređaj u odsustvu mrežnog napajanja.
Ovaj izum se odnosi na generator plina za pretvaranje goriva u plin osiromašen kisikom i/ili plin bogat vodonikom, koji se može koristiti u bilo kojem procesu koji zahtijeva plin osiromašen kisikom i/ili plin bogat vodonikom, poželjno korišten za stvaranje zaštitnog plina ili redukcioni gas za pokretanje, gašenje ili isključenje u nuždi gorivne ćelije sa čvrstim oksidom (SOFC) ili ćelije za elektrolizu sa čvrstim oksidom (SOEC).
Pronalazak se odnosi na tehnologiju gorivih ćelija, tačnije na montažni modul čvrstih oksidnih gorivih ćelija. Tehnički rezultat je da se osigura kompaktnost, laka tranzicija baterija/sistem i poboljšane performanse sistema.
Pronalazak se odnosi na elektrane sa gorivnim ćelijama od čvrstog polimera (FC) u kojima se električna energija proizvodi elektrohemijskom reakcijom gasovitog vodonika sa ugljendioksidom i elektrohemijskom reakcijom ugljen monoksida sa atmosferskim kiseonikom.
Predlaže se sistem gorivih ćelija (100), uključujući gorivu ćeliju (1) za proizvodnju energije izvođenjem elektrohemijske reakcije između oksidantnog gasa koji se dovodi na elektrodu oksidatora (34) i gorivog gasa koji se dovodi do gorivne elektrode (67) ; sistem za dovod gorivog gasa (HS) za dovod gorivog gasa do gorivne elektrode (67); i kontroler (40) za podešavanje sistema za dovod gorivog gasa (HS) za dovod gorivog gasa na elektrodu za gorivo (67), pri čemu kontroler (40) vrši promenu pritiska kada je izlazna strana elektrode za gorivo (67) zatvoren, pri čemu kontroler (40) periodično menja pritisak gorivog gasa na elektrodi za gorivo (67) na osnovu prvog profila promene pritiska da bi izvršio promenu pritiska pri prvom zamahu pritiska (PR1).
Izum se odnosi na metodu za proizvodnju metalnog čeličnog separatora za gorivne ćelije koji ima otpornost na koroziju i otpornost na kontakt ne samo u početnoj fazi, već i nakon dugog izlaganja visokim temperaturama i/ili visokoj vlažnosti u gorivoj ćeliji. vremenski period.
Pronalazak se odnosi na čvrste oksidne gorivne ćelije sa sposobnošću unutrašnjeg reformisanja. Goriva ćelija od čvrstog oksida obično uključuje katodu, elektrolit, anodu i sloj katalizatora u kontaktu sa anodom.
Ovaj pronalazak se odnosi na keramičku membranu koja provode alkalne katjone, čija je barem dio površine obložen slojem organskog kationskog provodnog polielektrolita koji je nerastvorljiv i hemijski stabilan u vodi pri baznom pH.
Pronalazak se odnosi na hemijske izvore struje sa gasno-difuzionom vazdušnom katodom, metalnom anodom i vodenim rastvorima elektrolita. Metalno-vazdušni izvor struje sadrži kućište ispunjeno elektrolitom, metalnu anodu koja se nalazi unutar njega i gasno-difuzijske zračne katode smještene na obje strane metalne anode. U ovom slučaju, plinske difuzijske zračne katode imaju središnje poprečne krivine i odvojene su od metalne anode poroznim separatorima koji su propusni za elektrolit, napravljeni od materijala sa visokim omskim otporom. Metalna anoda ima oblik pravougaonog paralelepipeda spojenog sa klinom, a klin je oslonjen na pomenute porozne separatore. Predloženi metalno-vazdušni izvor struje ima povećani specifični kapacitet, stabilne karakteristike i produženi vijek trajanja, jer omogućava povećanje omjera mase otapajućeg dijela metalne anode i zapremine elektrolita, a time i , specifični energetski intenzitet i vrijeme rada izvora struje bez zamjene metalne anode. 10 ilustr., 2 pr.
Pronalazak se odnosi na izvore energije, odnosno na metode zamjene potrošne elektrode u gorivnoj ćeliji zrak-aluminij bez prekida lanca snabdijevanja energijom. Potrošna elektroda se koristi u obliku aluminijske žice, koja je namotana na žljeb za vijke tankosjedne šipke izrađene od dielektričnog hidrofobnog materijala. Jedan kraj žice se ubacuje u šupljinu šipke tankog zida kroz rupu u njenom donjem dijelu. Potrošna elektroda se pomera uvrtanjem šipke tankog zida u poklopce kućišta gorivne ćelije, smeštene sa obe strane kućišta i izrađene od hidrofobnog materijala, čime se obezbeđuje očuvanje elektrolita unutar gorivne ćelije i uklanjanje oslobođenog vodonika. od njegovog tijela duž vijčane površine hidrofobnih poklopaca. Efekat: poboljšane energetske performanse gorivne ćelije. 3 ill.
Kompanija je prva u svijetu proizvela aluminij-vazdušnu bateriju pogodnu za upotrebu u automobilu. Al-Air baterija od 100 kg sadrži dovoljno energije da obezbedi 3.000 km dometa za kompaktni putnički automobil. Phinergy je demonstrirao tehnologiju sa Citroenom C1 i pojednostavljenom verzijom baterije (50 x 500 g ploča, u kućištu napunjenom vodom). Auto je prešao 1800 km s jednim punjenjem, zaustavljajući se samo da bi napunio rezerve vode - potrošni elektrolit ( video).
Aluminijum neće zamijeniti litijum-jonske baterije (neće se puniti iz zidne utičnice), ali im je odlična dopuna. Na kraju krajeva, 95% putovanja automobilom su kratke udaljenosti, gdje su standardne baterije dovoljne. Dodatna baterija pruža rezervu u slučaju da se baterija isprazni ili ako trebate daleko putovati.
Aluminijum-vazdušna baterija stvara struju kroz hemijsku reakciju metala sa kiseonikom iz okolnog vazduha. Aluminijumska ploča - anoda. Ćelija je s obje strane obložena poroznim materijalom koji sadrži srebrni katalizator koji filtrira CO 2 . Metalni elementi polako se razgrađuju do Al(OH) 3 .
Hemijska formula reakcije izgleda ovako:
4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Al(OH) 3 + 2,71 V
Ovo nije neki senzacionalni novi proizvod, već dobro poznata tehnologija. Dugo se koristi u vojsci, jer takvi elementi daju izuzetno visoku gustoću energije. Ali ranije inženjeri nisu mogli riješiti problem filtracije CO 2 i prateće karbonizacije. Phinergy tvrdi da je riješio problem i da će već 2017. godine biti moguće proizvoditi aluminijske baterije za električna vozila (i ne samo za njih).
Tesla Model S litijum-jonske baterije su teške oko 1000 kg i pružaju domet od 500 km (u idealnim uslovima, u stvarnosti 180-480 km). Recimo, ako ih smanjite na 900 kg i dodate aluminijsku bateriju, težina automobila se neće promijeniti. Domet baterije će se smanjiti za 10-20%, ali maksimalna kilometraža bez punjenja će se povećati na 3180-3480 km! Možeš stići od Moskve do Pariza, i još će nešto ostati.
Na neki način, ovo je slično konceptu hibridnog automobila, ali ne zahtijeva skup i glomazan motor s unutrašnjim sagorijevanjem.
Nedostatak tehnologije je očigledan - vazdušno-aluminijumska baterija će se morati mijenjati u servisnom centru. Vjerovatno jednom godišnje ili više. Međutim, ovo je sasvim običan postupak. Tesla Motors je prošle godine pokazao kako se baterije modela S mogu promijeniti za 90 sekundi ( amaterski video).
Ostali nedostaci su potrošnja energije u proizvodnji i moguća visoka cijena. Izrada i obrada aluminijumskih baterija zahteva mnogo energije. Odnosno, sa ekološke tačke gledišta, njihovo korištenje samo povećava ukupnu potrošnju energije u cjelokupnoj privredi. Ali potrošnja je optimalnije raspoređena - kreće se iz velikih gradova u udaljena područja s jeftinom energijom, gdje se nalaze hidroelektrane i metalurške tvornice.
Takođe nije poznato koliko će koštati takve baterije. Iako je sam aluminijum jeftin metal, katoda sadrži skupo srebro. Phinergy neće reći kako tačno pravi svoj patentirani katalizator. Možda je ovo složen tehnički proces.
Ali uz sve svoje nedostatke, aluminij-vazdušna baterija i dalje izgleda kao vrlo zgodan dodatak električnom automobilu. Barem kao privremeno rješenje za naredne godine (decenije?) dok ne nestane problem kapaciteta baterije.
Phinergy, u međuvremenu, eksperimentiše sa "punjivim"
Francuska kompanija Renault predlaže da se u budućim električnim vozilima koriste aluminijumsko-vazdušne baterije kompanije Phinergi. Hajde da pogledamo njihove perspektive.
Renault je odlučio da se osloni na novu vrstu baterije koja bi mogla povećati domet od jednog punjenja za sedam puta. Uz zadržavanje dimenzija i težine današnjih baterija. Aluminijum-vazduh (Al-air) ćelije imaju fenomenalnu gustinu energije (8000 W/kg, naspram 1000 W/kg za tradicionalne baterije), proizvodeći je tokom reakcije oksidacije aluminijuma u vazduhu. Takva baterija sadrži pozitivnu katodu i negativnu anodu od aluminija, a između elektroda je tekući elektrolit na bazi vode.
Proizvođač baterija Phinergy rekao je da je napravio veliki napredak u razvoju takvih baterija. Njihov prijedlog je korištenje katalizatora napravljenog od srebra, koji omogućava efikasno korištenje kisika sadržanog u običnom zraku. Ovaj kisik se miješa s tekućim elektrolitom, čime se oslobađa električna energija sadržana u aluminijskoj anodi. Glavno upozorenje je "vazdušna katoda", koja djeluje kao membrana u vašoj zimskoj jakni - propušta samo O2, a ne ugljični dioksid.
Po čemu se razlikuje od tradicionalnih baterija? Potonji imaju potpuno zatvorene ćelije, dok je elementima Al-air potreban vanjski element da "pokrene" reakciju. Važna prednost je činjenica da se Al-air baterija ponaša kao dizel generator - proizvodi energiju samo kada je uključite. A kada takvoj bateriji "presječete zrak", sav njen naboj ostaje na mjestu i ne nestaje s vremenom, kao kod konvencionalnih baterija.
Al-air baterija koristi aluminijsku elektrodu tokom rada, ali se može zamijeniti, poput kertridža u štampaču. Punjenje se mora obaviti svakih 400 km, ono će se sastojati od dodavanja novog elektrolita, što je mnogo lakše nego čekati da se obična baterija napuni.
Phinergy je već kreirao električni Citroen C1, koji je opremljen baterijom od 25 kg kapaciteta 100 kWh. Daje rezervu snage od 960 km. Sa motorom od 50 kW (oko 67 konjskih snaga), automobil postiže brzinu od 130 km/h i ubrzava do stotine za 14 sekundi. Slična baterija se testira i na Renault Zoe, ali njen kapacitet je 22 kWh, maksimalna brzina automobila je 135 km/h, 13,5 sekundi do "stotke", ali samo 210 km rezerve snage.
Nove baterije su lakše, upola jeftinije od litijum-jonskih i ubuduće lakše za upotrebu od modernih. A za sada im je jedini problem aluminijska elektroda koju je teško proizvesti i zamijeniti. Čim se ovaj problem riješi, možemo sa sigurnošću očekivati još veći val popularnosti električnih vozila!
- , 20. januar 2015
