Хімічні джерела струму зі стабільними та високими питомими характеристиками – одна з найважливіших умов розвитку засобів зв'язку.
В даний час потреба користувачів електроенергії для засобів зв'язку покривається переважно за рахунок застосування дорогих гальванічних елементів або акумуляторів.
Акумулятори є відносно автономними джерелами електроживлення, оскільки потребують періодичного заряду від мережі. Зарядні пристрої, що застосовуються для цієї мети, мають високу вартість і не завжди здатні забезпечити сприятливий режим заряджання. Так, акумулятор Sonnenschein, виготовлений за технологією dryfit і має масу 0,7 кг, а ємність 5 А·ч, заряджається протягом 10 годин, причому при заряді необхідно дотримуватися нормативних значень струму, напруги та часу заряду. Заряд проводиться спочатку при постійному струмі, потім при постійній напрузі. Для цього застосовуються дорогі зарядні пристрої з програмним керуванням.
Абсолютно автономними є гальванічні елементи, але вони зазвичай мають низьку потужність і обмежену ємність. Після вичерпання закладеної у яких енергії вони утилізуються, забруднюючи довкілля. Альтернативою сухим джерелам є повітряно-металеві джерела, що механічно перезаряджаються, деякі енергетичні характеристики яких наведені в таблиці 1.
Таблиця 1- параметри деяких електрохімічних систем
|
Електро-хімічна система |
Теоретичні параметри |
Параметри, що практично реалізуються |
||
|
Питома енергія, Вт·ч/кг |
Напруга, В |
Питома енергія, Вт·ч/кг |
||
|
Повітряно-алюмінієва |
||||
|
Повітряно-магнієва |
||||
|
Повітряно-цинкова |
||||
|
Нікель-металгідридна |
||||
|
Нікель-кадмієва |
||||
|
Марганцево-цинкова |
||||
|
Марганцево-літієва |
||||
Як видно з таблиці, повітряно-металеві джерела, у порівнянні з іншими широко застосовуваними системами, мають найбільші теоретичні та практично реалізовані енергетичні параметри.
Повітряно-металеві системи було реалізовано значно пізніше, які розробка досі ведеться менш інтенсивно, ніж джерел струму інших електрохімічних систем. Проте випробування дослідних зразків, створених вітчизняними та іноземними фірмами, показали їхню достатню конкурентоспроможність.
Показано, що сплави алюмінію та цинк можуть працювати в лужних та сольових електролітах. Магній - лише сольових електролітах, причому його інтенсивне розчинення йде як із генеруванні струму, і у паузах.
На відміну магнію алюміній в сольових електролітах розчиняється лише за генеруванні струму. Для цинкового електрода найперспективніші лужні електроліти.
Повітряно-алюмінієві джерела струму (ВАІТ)
На основі алюмінієвих сплавів створені джерела струму, що механічно перезаряджаються, з електролітом на основі кухонної солі. Ці джерела абсолютно автономні і можуть використовуватися для електроживлення не тільки засобів зв'язку, але й для заряду акумуляторів, живлення різної побутової апаратури: радіоприймачів, телевізорів, кавомолок, електродрилів, світильників, електрофенів, паяльників, малопотужних холодильників, відцентрових насосів та ін. Абсолютна автономність дозволяє використовувати його в польових умовах, у регіонах, що не мають централізованого електропостачання, у місцях катастроф та стихійних лих.
Заряд ВАІТ проводиться протягом лічені хвилини, які необхідні для заливки електроліту та/або заміни алюмінієвих електродів. Для заряду потрібна лише кухонна сіль, вода та запас алюмінієвих анодів. Як один з активних матеріалів використовується кисень повітря, який відновлюється на катодах з вуглецю та фторопласту. Катоди досить дешеві, забезпечують роботу джерела протягом тривалого часу і тому незначно впливають на вартість генерованої енергії.
Вартість електроенергії, одержуваної в ВАІТ, визначається, в основному, лише вартістю анодів, що періодично замінюються, до неї не включається вартість окислювача, матеріалів і технологічних процесів, що забезпечують працездатність традиційних гальванічних елементів і, тому, вона в 20 разів нижче вартості енергії, одержуваної від таких автономних джерел як лужні марганцево-цинкові елементи
Таблиця 2- Параметри повітряно-алюмінієвих джерел струму
|
Тип батареї |
Марка батареї |
Кількість елементів |
Маса електроліту, кг |
Місткість за запасом електроліту, А·ч |
Маса комплекту анодів, кг |
Місткість запасу анодів, А·ч |
Маса батареї, кг |
|
|
Занурювані |
||||||||
|
Заливаються |
||||||||
Тривалість безперервної роботи визначається величиною споживаного струму, обсягом залитого елемент електроліту і становить 70 - 100 А·ч/л. Нижня межа визначається в'язкістю електроліту, коли він можливий його вільний злив. Верхня межа відповідає зниженню характеристик елемента на 10-15%, проте після його досягнення для видалення електролітної маси необхідно застосування механічних пристроїв, які можуть пошкодити кисневий (повітряний) електрод.
В'язкість електроліту зростає в міру його насичення суспензією гідроксиду алюмінію. (Гідроксид алюмінію зустрічається у природі у вигляді глини або глинозему, є чудовим продуктом для виробництва алюмінію і може бути повернутий у виробництво).
Заміна електроліту здійснюється за лічені хвилини. З новими порціями електроліту ВАТ може працювати до вичерпання ресурсу анода, який при товщині 3 мм становить 2,5 А·ч/см 2 геометричної поверхні. Якщо аноди розчинилися, їх протягом кількох хвилин замінюють на нові.
Саморозряд ВАІТ дуже малий, навіть при зберіганні з електролітом. Але через те, що ВАІТ у перерві між розрядами може зберігатися без електроліту - його саморозряд нікчемний. Ресурс роботи ВАІТ обмежений терміном служби пластмаси, з якої він виготовлений ВАІТ без електроліту, може зберігатися до 15 років.
Залежно від вимог споживача ВАІТ може бути модифікований з урахуванням того, що 1 елемент має напругу 1 при щільності струму 20 мА/см 2 , а струм знімається з ВАІТ визначається площею електродів.
Проведені в МЕІ(ТУ) дослідження процесів, що протікають на електродах і в електроліті, дозволили створити два типи повітряно-алюмінієвих джерел струму - заливаються і занурювані (табл. 2).
ВАЇТ, що заливаються
ВАІТ, що заливаються, складаються з 4-6 елементів. Елемент ВАІТ, що заливається (рис. 1) являє собою прямокутну ємність (1), в протилежних стінках якої встановлений катод (2). Катод складається з двох частин, електрично з'єднаних в один електрод шиною (3). Між катодами розташовується анод (4), положення якого фіксується напрямними (5). Конструкція елемента, запатентованого авторами /1/, дозволяє зменшити негативний вплив гідроксиду алюмінію, що утворюється в якості кінцевого продукту, за рахунок організації внутрішньої циркуляції. З цією метою елемент у площині перпендикулярної площині електродів розділений перегородками на три секції. Перегородки виконують роль направляючих анод полозків (5). У середній секції розташовані електроди. Виділяються при роботі анода бульбашки газу піднімають разом з потоком електроліту завис гідроксиду, який опускається на дно в двох інших секціях елемента.
Малюнок 1- Схема елемента
Підведення повітря до катодів у ВАІТ (рис. 2) здійснюється через зазори (1) між елементами (2). Крайні катоди захищені від зовнішніх механічних впливів бічними панелями (3). Непроливність конструкції забезпечується застосуванням кришки, що швидко знімається (4) з ущільнювальною прокладкою (5) з пористої гуми. Натяг гумової прокладки досягається притисканням кришки до корпусу ВАІТ і фіксацією її в цьому стані за допомогою пружинних фіксаторів (на малюнку не показано). Скидання газу здійснюється через спеціально розроблені пористі гідрофобні клапани (6). Елементи (1) батареї з'єднані послідовно. Пластинчасті аноди (9), конструкція яких розроблена в МЕІ мають гнучкі струмознімання з елементом роз'єму на кінці. Роз'єм, частина якого з'єднана з блоком катодів, дозволяє швидко від'єднувати і приєднувати анод при його заміні. При підключенні всіх анодів елементи ВАІТ з'єднуються послідовно. Крайні електроди з'єднані з борнами (10) ВАІТ також за допомогою роз'ємів.
1 - повітряний зазор, 2 - елемент, 3 - захисна панель, 4 - кришка, 5 - катодна шина, 6 - прокладка, 7 - клапан, 8 - катод, 9 - анод, 10 - борн
Малюнок 2- ВАЇТ, що заливається
Занурюваний ВАІТ
ВАІТ, що занурюється (рис. 3) являє собою вивернутий на виворот заливається ВАІТ. Катоди (2) розгорнуті активним шаром назовні. Місткість елемента, в яку заливався електроліт, ділиться на дві перегородкою і служить для роздільної подачі повітря до кожного катода. У зазорі, через який подавалося до катодів повітря, встановлено анод (1). ВАІТ активується не заливкою електроліту, а зануренням в електроліт. Електроліт попередньо заливається і зберігається в перерві між розрядами в баку (6), який розділений на 6 секцій, що не пов'язані між собою. Як бак використовується моноблок акумулятора 6СТ-60ТМ.
1 – анод, 4 – катодна камера, 2 – катод, 5 – верхня панель, 3 – полозок, 6 – електролітний бак
Малюнок 3- повітряно-алюмінієвий елемент, що занурюється, в панелі модуля
Така конструкція дозволяє швидко розбирати батарею, видаляючи модуль з електродами, та маніпулювати при заливці та вивантаженні електроліту не з батареєю, а з ємністю, маса якої з електролітом становить 4,7 кг. Модуль поєднує 6 електрохімічних елементів. Елементи кріпляться на верхній панелі (5) модуля. Маса модуля із комплектом анодів 2 кг. Послідовним з'єднанням модулів набиралися ВАІТ з 12, 18 та 24 елементів. До вад повітряно-алюмінієвого джерела можна віднести досить високий внутрішній опір, низьку питому потужність, нестабільність напруги під час розряду і провал напруги при включенні. Всі ці недоліки нівелюються при використанні комбінованого джерела струму (КІТ), що складається з ВАІТ та акумулятора.
Комбіновані джерела струму
Розрядна крива "заливається" джерела 6ВАИТ50 (рис. 4) при заряді герметизованого свинцевого акумулятора 2СГ10 ємністю 10 А·ч характеризується, як і при живленні інших навантажень, провалом напруги в перші секунди при підключенні навантаження. Протягом 10 -15 хвилин напруга зростає до робітника, яке залишається постійним протягом усього розряду ВАІТ. Глибина провалу визначається станом поверхні алюмінієвого анода та його поляризацією.
Малюнок 4- Розрядна крива 6ВАІТ50 при заряді 2СГ10
Як відомо, процес заряду акумулятора протікає тільки в тому випадку, коли напруга на джерелі, що віддає енергію, вища, ніж на акумуляторі. Провал початкової напруги ВАІТ призводить до того, що акумулятор починає розряджатися на ВАІТ і, отже, на електродах ВАІТ починають протікати зворотні процеси, які можуть призвести до пасивації анодів.
Для запобігання небажаним процесам у ланцюг між ВАІТ та акумулятором встановлюється діод. У цьому випадку розрядна напруга ВАІТ при заряді акумулятора визначається не тільки напругою акумулятора, але і падінням напруги на діоді:
U ВАІТ = U АКК + ΔU ДІОД (1)
Введення в ланцюг діода призводить до збільшення напруги як на ВАІТ, так і на акумуляторі. Вплив наявності діода в ланцюзі ілюструє рис. 5, на якому представлено зміну різниці напруг ВАІТ і акумулятора при заряді акумулятора поперемінно з діодом у ланцюзі і без нього.
У процесі заряду акумулятора без діода різниця напруг має тенденцію до зменшення, тобто. зниження ефективності роботи ВАІТ, у той час як у присутності діода різниця, а, отже, і ефективність процесу має тенденцію до зростання.
Малюнок 5- Різниця напруг 6ВАІТ125 та 2СГ10 при заряді з діодом і без нього
Малюнок 6- Зміна струмів розряду 6ВАІТ125 та 3НКГК11 при електроживленні споживача
Малюнок 7- Зміна питомої енергії КІТ (ВАІТ - свинцевий акумулятор) зі збільшенням частки пікового навантаження
Для засобів зв'язку характерне споживання енергії як змінних, зокрема пікових, навантажень. Такий характер споживання був змодельований нами при електроживленні споживача з базовим навантаженням 0,75 А та піковим 1,8 А від КІТ, що складається з 6ВАІТ125 та 3НКГК11. Характер зміни струмів генерованих (споживаних) складових КІТ, представлений на рис. 6.
З малюнка видно, що в базовому режимі ВАТ забезпечує генерацію струму, достатню для живлення базового навантаження і заряду акумулятора. У разі пікового навантаження споживання забезпечується струмом, що генерується ВАІТ та акумулятором.
Проведений нами теоретичний аналіз показав, що питома енергія КІТ є компромісною між питомою енергією ВАІТ та акумулятора та зростає із зменшенням частки пікової енергії (рис. 7). Питома потужність КІТ вища за питому потужність ВАІТ і зростає зі збільшенням частки пікового навантаження.
Висновки
Створено нові джерела струму на основі електрохімічної системи "повітря-алюміній" з розчином кухонної солі як електроліт, енергоємністю близько 250 А·год і з питомою енергією понад 300 Вт·ч/кг.
Заряд розроблених джерел здійснюється протягом декількох хвилин шляхом механічної заміни електроліту та/або анодів. Саморозряд джерел мізерний і тому до активації можуть зберігатися протягом 15 років. Розроблено варіанти джерел, що відрізняються способом активації.
Досліджено роботу повітряно-алюмінієвих джерел при заряді акумулятора та у складі комбінованого джерела. Показано, що питома енергія та питома потужність КІТ є компромісними величинами та залежать від частки пікового навантаження.
ВАІТ та КІТ на їх основі абсолютно автономні і можуть використовуватися для електроживлення не тільки засобів зв'язку, але й живлення різної побутової апаратури: електромашин, світильників, малопотужних холодильників та ін. Абсолютна автономність джерела дозволяє використовувати його в польових умовах, у регіонах, що не мають централізованого електропостачання, у місцях катастроф та стихійних лих.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
- Патент РФ № 2118014. Метало-повітряний елемент. 2/38. прогр. 17.06.97 опубл. 20.08.98
- Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A.// Abstr. Second Symp. на New Mater. для Fuel Cell and Modern Battery Systems. July 6-10. 1997. Montreal. Канада. v 97-7.
- Коровін Н.В., Клейменов Б.В. Вісник МЕІ (друк).
Робота виконана в рамках програми "Наукові дослідження вищої школи з пріоритетних напрямів науки та техніки"
Кандидат технічних наук Є. КУЛАКОВ, кандидат технічних наук С. СЕВРУК, кандидат хімічних наук О. ФАРМАКОВСЬКА.
Енергоустановка на повітряно-алюмінієвих елементах займає лише частину багажника автомобіля та забезпечує дальність його пробігу до 220 кілометрів.
Принцип дії повітряно-алюмінієвого елемента.
Роботою енергоустановки на повітряно-алюмінієвих елементах керує мікропрецесор.
Малогабаритний повітряно-алюмінієвий елемент на сольовому електроліті може замінити чотири батареї.
Наука та життя // Ілюстрації
Енергоустановка ЕУ 92ВА-240 на повітряно-алюмінієвих елементах.
Людство, зважаючи на все, не збирається відмовлятися від автомобілів. Мало того: автомобільний парк Землі може незабаром збільшитись приблизно вдвічі – головним чином за рахунок масової автомобілізації Китаю.
Тим часом машини, що неслися дорогами, викидають в атмосферу тисячі тонн чадного газу - того самого, присутність якого в повітрі в кількості, більшій за десяту частку відсотка, для людини смертельно. А крім чадного газу – і багато тонн оксидів азоту та інших отрут, алергенів та канцерогенів – продуктів неповного згоряння бензину.
У всьому світі давно ведеться пошук альтернатив автомобілю із двигуном внутрішнього згоряння. І найбільш реальною з них вважається електромобіль (див. "Наука і життя" № 8, 9, 1978). Перші у світі електромобілі були створені у Франції та в Англії на початку 80-х років минулого століття, тобто на кілька років раніше, ніж автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння (ДВС). І що з'явився, наприклад, 1899 року у Росії перший самодвижущийся екіпаж саме електричним.
Тяговий електродвигун у таких електричних автомобілях отримував живлення від надмірно важких батарей свинцевих акумуляторів з енергоємністю лише близько 20 ват-годин (17,2 кілокалорії) на кілограм. Значить, для того, щоб "прогодувати" двигун потужністю 20 кіловат (27 кінських сил) хоча б протягом години, був потрібний свинцевий акумулятор масою в 1 тонну. Еквівалентне ж йому за запасеною енергією кількість бензину займає бензобак ємністю всього 15 літрів. Ось чому лише з винаходом ДВС виробництво автомобілів почало швидко зростати, а електромобілі десятиліттями вважалися тупиковою гілкою автомобілебудування. І лише екологічні проблеми, що виникли перед людством, змусили конструкторів повернутися до ідеї електромобіля.
Сама по собі заміна ДВЗ електродвигуном, звичайно, приваблива: при одній і тій же потужності електродвигун і масою легше, і в управлінні простіше. Але навіть тепер, більш ніж через 100 років після першої появи автомобільних акумуляторів, енергоємність (тобто запасена енергія) навіть найкращих з них не перевищує 50 ват-годин (43 кілокалорії) на кілограм. І тому ваговим еквівалентом бензобака залишаються сотні кілограмів акумуляторних батарей.
Якщо ж врахувати необхідність багатогодинної зарядки акумуляторів, обмежена кількість циклів заряд-розряд і, як наслідок, відносно короткий термін служби, а також проблеми з утилізацією батарей, що відслужили, то доводиться визнати, що на роль масового транспорту акумуляторний електромобіль поки непридатний.
Настав момент сказати, що електродвигун може отримувати енергію і від іншого роду хімічних джерел струму - гальванічних елементів. Найбільш відомі з них (так звані батарейки) працюють у переносних приймачах та диктофонах, у годинниках та кишенькових ліхтариках. В основі роботи такої батарейки, як і будь-якого іншого хімічного джерела струму, лежить та чи інша окислювально-відновна реакція. А вона, як відомо зі шкільного курсу хімії, супроводжується передачею електронів від атомів однієї речовини (відновлювача) до атомів іншого (окислювача). Таку передачу електронів можна здійснити через зовнішній ланцюг, наприклад через лампочку, мікросхему або мотор, і тим самим змусити електрони працювати.
З цією метою окислювально-відновну реакцію проводять як би в два прийоми - розбивають її, так би мовити, на дві напівреакції, що протікають одночасно, але в різних місцях. На аноді відновник віддає свої електрони, тобто окислюється, але в катоді окислювач ці електрони приймає, тобто відновлюється. Самі ж електрони, перетікаючи з катода на анод через зовнішній ланцюг, якраз і роблять корисну роботу. Процес цей, зрозуміло, нескінченний, оскільки і окислювач, і відновник поступово витрачаються, утворюючи нові речовини. І в результаті джерело струму доводиться викидати. Можна, щоправда, безперервно чи час від часу виводити з джерела продукти реакції, що утворилися в ньому, а натомість подавати в нього все нові і нові реагенти. Вони в цьому випадку виконують роль палива, і саме тому такі елементи звуться паливних (див. "Наука і життя" № 9, 1990 р.).
Ефективність такого джерела струму визначається насамперед тим, наскільки вдало обрані йому і самі реагенти, і їх роботи. З вибором окислювача особливих проблем немає, оскільки навколишнє повітря складається більш ніж на 20% із прекрасного окислювача - кисню. Що ж до відновника (тобто пального), то з ним справа дещо складніша: його доводиться возити із собою. І тому за його виборі доводиться перш за все виходити з так званого масо-енергетичного показника - корисної енергії, що виділяється при окисленні одиниці маси.
Найкращими в цьому відношенні властивостями володіє водень, за яким йдуть деякі лужні і лужноземельні метали, а потім - алюміній. Але газоподібний водень пожежо- та вибухонебезпечний, а під великим тиском здатний просочуватися через метали. Зріджувати його можна лише за дуже низьких температур, а зберігати - досить складно. Лужні та лужноземельні метали теж пожежонебезпечні і, крім того, швидко окислюються на повітрі та розчиняються у воді.
У алюмінію жодного з цих недоліків немає. Завжди покритий щільною плівкою оксиду, він за всієї своєї хімічної активності майже окислюється повітря. Алюміній порівняно дешевий і нетоксичний, його зберігання не створює жодних проблем. Цілком можна розв'язати і завдання його введення в джерело струму: з металу-пального виготовляють анодні пластини, які періодично - в міру їх розчинення - замінюють.
І, зрештою, електроліт. Він у цьому елементі може бути будь-яким водним розчином: кислотним, лужним або сольовим, оскільки алюміній реагує і з кислотами, і з лугами, а при порушенні оксидної плівки розчиняється і у воді. Але використовувати краще лужний електроліт: це простіше для проведення другої напівреакції - відновлення кисню. У кислому середовищі він відновлюється теж, але лише у присутності дорогого платинового каталізатора. У лужному ж середовищі можна обійтися дешевшим каталізатором - оксидом кобальту або нікелю або активованим вугіллям, які вводяться безпосередньо в пористий катод. Що ж до сольового електроліту, то він має меншу електропровідність, а виконаний на його основі джерело струму - приблизно в 1,5 рази меншу енергоємність. Тому в потужних автомобільних батареях доцільно застосовувати лужний електроліт.
У нього, однак, теж є недоліки, головний з яких – корозія анода. Йде вона паралельно з основною - струмоутворюючою - реакцією і розчиняє алюміній, перетворюючи його на алюміній натрію з одночасним виділенням водню. Правда, з більш-менш відчутною швидкістю ця побічна реакція йде лише за відсутності зовнішнього навантаження, саме тому повітряно-алюмінієві джерела струму не можна - на відміну від акумуляторів і батарей - довго тримати зарядженими в режимі очікування роботи. Розчин лугу у разі доводиться їх зливати. Проте при нормальному струмі навантаження побічна реакція майже невідчутна і коефіцієнт корисного використання алюмінію досягає 98%. Сам лужний електроліт відходом при цьому не стає: відфільтрувавши від нього кристали гідроксиду алюмінію, цей електроліт можна знову заливати в елемент.
Є у застосуванні лужного електроліту в повітряно-алюмінієвому джерелі струму і ще один недолік: у процесі його роботи витрачається чимало води. Це підвищує концентрацію лугу в електроліті і могло поступово змінювати електричні характеристики елемента. Існує, однак, такий інтервал концентрацій, в якому ці характеристики практично не змінюються, і якщо працювати саме в ньому, достатньо лише час від часу додавати в електроліт воду. Відходів у звичному значенні цього слова під час роботи повітряно-алюмінієвого джерела струму не утворюється. Адже гідроксид алюмінію, що отримується при розкладанні алюмінію натрію, - це просто біла глина, тобто продукт не тільки абсолютно чистий екологічно, але і дуже цінний як сировина для багатьох галузей промисловості.
Саме з нього, наприклад, зазвичай виробляють алюміній, спочатку нагріваючи до отримання глинозему, а потім розплав цього глинозему електролізу. Тому є можливість організувати замкнутий ресурсозберігаючий цикл експлуатації повітряно-алюмінієвих джерел струму.
Але гідроксид алюмінію має і самостійну комерційну цінність: він необхідний при виробництві пластмас і кабелів, лаків, фарб, скла, коагулянтів для очищення води, паперу, синтетичних килимів та лінолеумів. Його використовують у радіотехнічній та фармацевтичній промисловості, при виробництві різноманітних адсорбентів і каталізаторів, при виготовленні косметики і навіть ювелірних виробів. Адже дуже багато штучних дорогоцінних каменів - рубіни, сапфіри, олександрити - виконуються на основі оксиду алюмінію (корунду) з незначними домішками хрому, титану або берилію відповідно.
Вартість "відходів" повітряно-алюмінієвого джерела струму цілком можна порівняти з вартістю вихідного алюмінію, а маса їх при цьому втричі більша за масу вихідного алюмінію.
Чому ж, незважаючи на всі перераховані переваги киснево-алюмінієвих джерел струму, вони так довго - до кінця 70-х років - всерйоз не розроблялися? Лише тому, що вони були затребувані технікою. І лише з бурхливим розвитком таких енергоємних автономних споживачів, як авіація та космонавтика, військова техніка та наземний транспорт, ситуація змінилася.
Розпочалися розробки оптимальних композицій анод – електроліт з високими енергетичними характеристиками при низьких швидкостях корозії, підбиралися недорогі повітряні катоди з максимальною електрохімічною активністю та великим терміном служби, розраховувалися оптимальні режими як для тривалої експлуатації, так і для короткого часу роботи.
Розроблялися і схеми енергетичних установок, що містять, крім власне джерел струму, і ряд допоміжних систем - подачі повітря, води, циркуляції електроліту та його очищення, терморегулювання та ін. Кожна з них сама по собі досить складна, і для нормального функціонування енергоустановки в цілому знадобилася мікропроцесорна система управління, яка ставить алгоритми роботи та взаємодії решті систем. Приклад побудови однієї з сучасних повітряно-алюмінієвих установок представлений на малюнку (стор. 63): на ньому товстими лініями позначені потоки рідин (трубопроводи), а тонкими - інформаційні зв'язки (сигнали датчиків та команд управління).
В останні роки Московським державним авіаційним інститутом (технічним університетом) - МАІ спільно з науково-виробничим комплексом джерел струму "Альтернативна енергетика" - НВК ІТ "Альтен" створено цілий функціональний ряд енергетичних установок на основі повітряно-алюмінієвих елементів. У тому числі – експериментальна установка 92ВА-240 для електромобіля. Її енергоємність і, як наслідок, пробіг електромобіля без підзарядки виявилися в кілька разів вищими, ніж при використанні акумуляторів - як традиційних (нікель-кадмієвих), так і новостворюваних (сірчано-натрієвих). Деякі питомі характеристики електромобіля на цій установці наведені на прилеглій кольоровій вкладці в порівнянні з характеристиками автомобіля та електромобіля на акумуляторах. Порівняння це, проте, потребує пояснень. Справа в тому, що для автомобіля враховано лише масу палива (бензину), а для обох електромобілів - масу джерел струму в цілому. У зв'язку з цим необхідно помітити, що електродвигун має значно меншу вагу, ніж бензиновий, не вимагає трансмісії і в кілька разів економніше витрачає енергію. Якщо врахувати все це, то виявиться, що реальний виграш нинішнього автомобіля буде в 2-3 рази меншим, але все ж таки поки що досить великим.
Є у установки 92ВА-240 та інші – чисто експлуатаційні – переваги. Перезаряджання повітряно-алюмінієвих батарей взагалі не вимагає електромережі, а зводиться до механічної заміни відпрацьованих алюмінієвих анодів новими, на що йде не більше 15 хвилин. Ще простіше і швидше відбувається заміна електроліту видалення з нього осаду гідроксиду алюмінію. На "заправній" станції відпрацьований електроліт піддають регенерації і використовують для повторної заправки електромобілів, а відокремлений від нього гідроксид алюмінію направляють на переробку.
Крім електромобільної енергоустановки на повітряно-алюмінієвих елементах тими самими фахівцями створено низку малих енергоустановок (див. "Наука життя" № 3, 1997 р.). Кожну з цих установок можна механічно перезаряджати не менше 100 разів, і це визначається в основному ресурсом роботи пористого повітряного катода. А термін зберігання цих установок у незаправленому стані взагалі не обмежений, оскільки втрат ємності при зберіганні немає – саморозряд відсутній.
У невеликих за потужністю повітряно-алюмінієвих джерелах струму можна використовувати для приготування електроліту не тільки луг, а й звичайну кухонну сіль: процеси в обох електролітах протікають аналогічно. Щоправда, енергоємність сольових джерел у 1,5 рази менша, ніж лужних, зате користувачеві вони завдають набагато менше клопоту. Електроліт в них виходить безпечним, і роботу з ним можна довірити навіть дитині.
Повітряно-алюмінієві джерела струму для живлення малопотужної побутової техніки випускаються вже серійно, і ціна цілком доступна. Що ж до автомобільної енергоустановки 92ВА-240, то вона поки що існує тільки в досвідчених партіях. Один її експериментальний зразок номінальною потужністю 6 кВт (при напрузі 110 В) та ємністю 240 ампер-годин коштує близько 120 тисяч рублів у цінах 1998 року. За попередніми розрахунками, ця вартість після розгортання серійного виробництва знизиться принаймні до 90 тисяч рублів, що дозволить випускати електромобіль не набагато більшою ціною, ніж автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння. Що ж до вартості експлуатації електромобіля, то вона і тепер цілком порівнянна з вартістю експлуатації автомобіля.
Справа залишається за малим - зробити більш глибоку оцінку та розширені випробування, а потім за позитивних результатів розпочинати дослідну експлуатацію.
Власники патенту UA 2561566:
Винахід відноситься до джерел енергії, зокрема повітряно-алюмінієвих джерел струму.
Відоме хімічне джерело струму (Пат. RU 2127932), в якому заміна алюмінієвого електрода здійснюється також шляхом розкриття корпусу батареї з наступною установкою нового електрода.
Недоліком відомих способів введення електрода батарею є те, що на період заміни електрода батарею необхідно виводити з ланцюга енергозабезпечення.
Відома паливна батарея (заявка RU 2011127181), в якому витрачаються електроди у вигляді стрічок протягуються крізь корпус батареї через гермовводи і гермовиводи в міру їх вироблення за допомогою протяжних барабанів, що забезпечує введення витрачаються електродів в батарею без переривання ланцюга енергозабезпечення.
Недоліком відомого способу є те, що гермовводи і гермовиводи не виводять з батареї водень, що виділився під час роботи.
Технічний результат винаходу - забезпечення автоматичного введення електрода зі збільшеною робочою площею витрачається в паливному елементі без переривання ланцюга енергозабезпечення, підвищення енергетичних показників роботи паливного елемента.
Зазначений технічний результат досягається тим, що спосіб введення витрачається електрода в повітряно-алюмінієвий паливний елемент включає переміщення витрачається електрода в міру його вироблення всередину корпусу паливного елемента. Згідно винаходу використовують електрод, що витрачається, у вигляді алюмінієвого дроту, яку намотують на гвинтову канавку тонкостінного стрижня з діелектричного гідрофобного матеріалу і один кінець якого вводять всередину порожнини тонкостінного.
стрижня через отвір у його нижній частині, а переміщення витрачається електрода здійснюють шляхом загвинчування тонкостінного стрижня в кришки корпусу паливного елемента, розташовані з двох сторін корпусу і виготовлені з гідрофобного матеріалу, із забезпеченням збереження електроліту всередині паливного елемента і видалення з його корпусу водню, що виділяється по гвинт поверхні гідрофобних кришок.
Переміщення витрачається електрода, намотаного на тонкостінний стрижень з гвинтовою канавкою, відбувається в результаті вкручування його в кришки, які виготовлені з гідрофобного матеріалу (фторопласт, пс, ліетилен), при цьому електроліт залишається всередині паливного елемента, а водень, що виділився під час роботи, видаляється по гвинтовій поверхні із корпусу паливного елемента.
Циліндрична утворює для витрачається електрода виконана у вигляді тонкостінного стрижня з гвинтовою канавкою, на яку намотаний електрод з алюмінієвого дроту. Стрижень виконаний з гідрофобного діелектричного матеріалу, що дозволяє не взаємодіяти з електролітом. Стрижень з електродом з алюмінієвого дроту збільшує активну площу електрода, що витрачається, і таким чином підвищує енергетичні характеристики (величину струму, що знімається) повітряно-алюмінієвого паливного елемента.
Сутність винаходу пояснюється малюнками, де:
на фіг. 1 зображено повітряно-алюмінієве джерело струму;
на фіг. 2 - вигляд А на фіг. 1;
на фіг. 3 - вигляд на фіг. 1.
Повітряно-алюмінієвий паливний елемент стоїть з металевого корпусу 1 з отворами 2 для проходження повітря до трифазного кордону, газодифузійного катода 3, електроліту 4, 2-х гідрофобних кришок 5, розташованих з двох сторін металевого корпусу 1, електрода у вигляді тонкостінного стрижня дроту 7, намотаної на гвинтову канавку.
У міру витрачання алюмінієвого дроту 7 відбувається корозія і пасивація поверхні електрода, яка призводить до зменшення величини струму, що знімається, і загасання електрохімічного процесу. Для активізації процесу необхідно вкручувати тонкостінний стрижень, з гвинтовою канавкою, в якій намотаний витрачається алюмінієвий провід, гідрофобні кришки 5. Виділення водню відбувається через гвинтові поверхні гідрофобних кришок 5, при цьому електроліт залишається всередині металевого корпусу 1 паливного елемента.
Даний спосіб дозволяє автоматизувати процес заміни анода (витратний електрод) в повітряно-алюмінієвому джерелі струму (ВАІТ) без переривання ланцюга енергозабезпечення, а також видалення водню, що виділився під час роботи.
Спосіб введення витрачається електрода в повітряно-алюмінієвий паливний елемент, що включає переміщення витрачається електрода у міру його вироблення всередину корпусу паливного елемента, який відрізняється тим, що використовують витрачається електрод у вигляді алюмінієвого дроту, яку намотують на гвинтову канавку тонкостінного стрижня якої вводять всередину порожнини тонкостінного стрижня через отвір у його нижній частині, а переміщення витрачається електрода здійснюють шляхом загвинчування тонкостінного стрижня в кришки корпусу паливного елемента, розташовані з двох сторін корпусу і виготовлені з гідрофобного матеріалу, із забезпеченням збереження електроліту всередині паливного елемента та видалення корпусу виділяється водню по гвинтовій поверхні гідрофобних кришок.
Схожі патенти:
Даний винахід відноситься до електрогенератора на паливних елементах, спеціально спроектованого як резервний пристрій за відсутності мережного електропостачання.
Даний винахід відноситься до газогенератора для конверсії палива в збіднений киснем газ і/або збагачений воднем газ, який може бути використаний в будь-якому процесі, що вимагає збідненого киснем газу та/або збагаченого воднем газу, переважно, використовують його для генерування захисного газу або відновлювального газу запуску, вимкнення або аварійного відключення твердооксидного паливного елемента (SOFC) або твердооксидного елемента електролізу (SOEC).
Винахід відноситься до технології паливних елементів, а більш конкретно до збірного модуля батарей твердооксидних паливних елементів. Технічний результат - забезпечення компактності, простота переходу батарея/система та покращення характеристик системи.
Винахід відноситься до енергоустановок з твердополімерними паливними елементами (ТЕ), в яких отримують електроенергію за рахунок електрохімічної реакції газоподібного водню з двоокисом вуглецю, та електрохімічної реакції окису вуглецю з киснем повітря.
Запропонована система (100) паливного елемента, що включає паливний елемент (1) для генерування енергії шляхом здійснення електрохімічної реакції між газом-окислювачем, що подається на електрод (34) окислювача, і паливним газом, що подається на паливний електрод (67); систему (HS) подачі паливного газу для подачі паливного газу на паливний електрод (67); і контролер (40) для регулювання системи (HS) подачі паливного газу, щоб подавати паливний газ на паливний електрод (67), причому контролер (40) здійснює зміну тиску, коли вихід сторони паливного електрода (67) закритий, при цьому контролер (40) ) періодично змінює тиск паливного газу у паливного електрода (67) на основі першого профілю зміни тиску для здійснення зміни тиску при першому розмаху тиску (ДР1).
Винахід відноситься до способу виготовлення сталевого металевого сепаратора для паливних елементів, який має корозійну стійкість і контактний опір не тільки в початковій стадії, але також і після впливу умов високої температури та/або високої вологості в паливному елементі протягом тривалого періоду часу.
Винахід відноситься до твердотільних оксидних паливних елементів зі здатністю до внутрішнього риформінгу. Твердотільний оксидний паливний елемент зазвичай включає катод, електроліт, анод і шар каталізатора, що знаходиться в контакті з анодом.
Даний винахід відноситься до керамічної мембрани, що проводить лужні катіони, щонайменше частина поверхні якої покрита шаром з органічного катіоно-провідного поліелектроліту, який нерозчинний і хімічно стійкий у воді при основному рН.
Винахід відноситься до хімічних джерел струму з газодифузійним повітряним катодом, металевим анодом та водними розчинами електролітів. Метало-повітряне джерело струму містить корпус, заповнений електролітом, розміщений усередині нього металевий анод, газодифузійні повітряні катоди, розташовані по обидва боки металевого анода. При цьому газодифузійні повітряні катоди мають центральні поперечні вигини і відокремлені від металевого анода пористими сепараторами, що проникають для електроліту, виготовленими з матеріалу з високим омічним опором. Металевий анод має форму прямокутного паралелепіпеда, сполученого з клином, і спирається клином на згадані пористі сепаратори. Запропонований метало-повітряний джерело струму володіє підвищеною питомою ємністю, стабільними характеристиками і збільшеним ресурсом роботи, оскільки дозволяє збільшити відношення маси частини металічного анода, що розчиняється, до обсягу електроліту, а отже, питому енергоємність і час роботи джерела струму без заміни металевого анода. 10 іл., 2 ін.
Винахід відноситься до джерел енергії, а саме способів заміни витрачається електрода в повітряно-алюмінієвому паливному елементі без переривання ланцюга енергозабезпечення. Використовують електрод у вигляді алюмінієвого дроту, яку намотують на гвинтову канавку тонкостінного стрижня з діелектричного гідрофобного матеріалу. Один кінець дроту вводять всередину порожнини тонкостінного стрижня через отвір його нижньої частини. Переміщення витрачається електрода здійснюють шляхом загвинчування тонкостінного стрижня в кришки корпусу паливного елемента, розташовані з двох сторін корпусу і виготовлені з гідрофобного матеріалу, із забезпеченням збереження електроліту всередині паливного елемента і видалення з його корпусу водню, що виділяється по гвинтовій поверхні гідрофобних кришок. Забезпечується підвищення енергетичних показників роботи паливного елемента. 3 іл.
Першою у світі зуміла виготовити повітряно-алюмінієву батарею, придатну для експлуатації в автомобілі. 100-кілограмова батарея Al-Air містить достатньо енергії, щоб забезпечити 3000 км ходу компактного легкового автомобіля. Phinergy провела демонстрацію технології із Citroen C1 та спрощеною версією батареї (50 пластин по 500 г, у корпусі, наповненому водою). Машина проїхала 1800 км на одному заряді, зупиняючись тільки для поповнення запасів води - електроліту, що витрачається ( відео).
Алюміній не замінить літій-іонні акумулятори (він не заряджається від розетки), але чудово доповнює їх. Адже 95% поїздок автомобіль здійснює на короткі відстані, де достатньо стандартних акумуляторів. Додаткова батарея забезпечує бекап на випадок, якщо акумулятор розрядився або потрібно далеко їхати.
Повітряно-алюмінієва батарея генерує струм рахунок хімічної реакції металу з киснем з навколишнього повітря. Алюмінієва пластина – анод. З двох сторін комірка покрита пористим матеріалом зі срібним каталізатором, який фільтрує CO2. Металеві елементи повільно деградують Al(OH) 3 .
Хімічна формула реакції виглядає так:
4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Al(OH) 3 + 2,71 В
Це не якась сенсаційна новинка, а відома технологія. Її давно використовують військові, оскільки такі елементи забезпечують винятково велику густину енергії. Але раніше інженерам ніяк не вдавалося вирішити проблему з фільтрацією CO2 та супутньою карбонізацією. Компанія Phinergy стверджує, що вирішила проблему і вже у 2017 році можна виготовляти алюмінієві батареї для електромобілів (і не тільки для них).
Літій-іонні акумулятори Tesla Model S важать близько 1000 кг та забезпечують пробіг 500 км (в ідеальних умовах, насправді 180-480 км). Скажімо, якщо скоротити їх до 900 кг і додати алюмінієву батарею, маса машини не зміниться. Дальність ходу від акумулятора знизиться на 10-20%, проте максимальний пробіг без зарядки збільшиться аж до 3180-3480 км! Можна доїхати від Москви до Парижа і ще щось залишиться.
У чомусь це схоже на концепцію гібридного автомобіля, але тут не потрібно дорогий і громіздкий двигун внутрішнього згоряння.
Недолік технології очевидний - повітряно-алюмінієву батарею доведеться міняти у сервісному центрі. Напевно, раз на рік чи частіше. Втім, це цілком пересічна процедура. Компанія Tesla Motors минулого року показувала, як акумулятори Model S змінюють за 90 секунд ( аматорське відео).
Інші недоліки - енерговитратність виробництва та, можливо, висока ціна. Виготовлення та переробка алюмінієвих батарей потребує великої кількості енергії. Тобто з екологічного погляду їх використання лише підвищує загальне споживання електроенергії у всій економіці. Проте споживання більш оптимально розподіляється - воно йде з великих міст у віддалені райони з дешевою енергією, там знаходяться ГЕС і металургійні заводи.
Невідомо й те, скільки коштуватимуть такі елементи живлення. Хоча сам алюміній – дешевий метал, але катод містить дороге срібло. Phinergy не розповідає, як саме виготовляє запатентований каталізатор. Можливо це складний техпроцес.
Але за всіх своїх недоліків повітряно-алюмінієва батарея все одно здається дуже зручним доповненням до електромобіля. Принаймні як тимчасове рішення на найближчі роки (десятиліття?), поки не зникне проблема ємності акумуляторів.
У Phinergy, тим часом, експериментують із «перезаряджуваною»
Французька компанія Renault пропонує використовувати у майбутніх електромобілях алюмінієво-повітряні батареї Phinergy. Погляньмо на їхні перспективи.
Renault вирішило зробити ставку на новий тип акумулятора, який може дозволити збільшити дальність пробігу від однієї зарядки у сім разів. При збереженні габаритів та ваги сучасних батарей. Алюмінієво-повітряні (Al-air) елементи мають феноменальну щільність енергії (8000 Вт/кг, проти 1000 Вт/кг у традиційних батарей), виробляючи при реакції окислення алюмінію повітря. Така батарея містить позитивний катод і негативний анод, зроблений з алюмінію, а між електродами міститься рідкий електроліт на водяній основі.
Компанія розробник батарей Phinergy заявила, що досягла великого прогресу у розвитку подібних батарей. Їх пропозиція – використовувати каталізатор, виготовлений із срібла, який дозволяє ефективно задіяти кисень, що міститься у звичайному повітрі. Цей кисень поєднується з рідким електролітом, і тим самим звільняє електричну енергію, що міститься в алюмінієвому аноді. Головний нюанс полягає у «повітряному катоді», який діє як мембрана у вашій зимовій куртці – пропускає лише О2, а не вуглекислий газ.
У чому на відміну від традиційних батарей? В останніх повністю закриті комірки, тоді як Al-air елементам потрібен зовнішній елемент, який «запускає» реакцію. Важливим плюсом є той факт, що Al-air батарея діє як дизель-генератор – вона виробляє енергію лише тоді, коли ви її увімкнули. А коли ви перекрили повітря такій батареї, весь її заряд залишається на місці і не зникає з часом, як у звичайних акумуляторів.
У процесі роботи батареї Al-air використовується алюмінієвий електрод, але його можна зробити замінним, як картридж в принтері. Зарядку потрібно робити кожні 400 км, вона полягатиме в доливанні нового електроліту, що набагато простіше, ніж чекати, поки зарядиться звичайна батарея.
Компанія Phinergy вже створила електричний Citroen C1, обладнаний 25 кг батареєю ємністю 100 кВтг. Вона дає запас ходу 960 км. З мотором потужністю 50 кВт (близько 67 кінських сил), машина розвиває швидкість 130 км/год, розганяється до сотні за 14 секунд. Подібна батарея також тестується на Renault Zoe, але її ємність – 22 кВтг, максималка у машини – 135 км/год, 13.5 сек до сотні, але тільки 210 км запасу ходу.
Нові батареї легші, вдвічі дешевші, ніж літій-іонні і в перспективі простіше в експлуатації, ніж сучасні. І поки що, єдина їхня проблема – це алюмінієвий електрод, який складний у виробництві та заміні. Як тільки ця проблема вирішиться – можна сміливо чекати на ще більшу хвилю популярності електромобілів!
- , 20 січ 2015
