емкости. Они должны проводиться через равномерные промежутки времени. Полный заряд достигается при достаточно высоком напряжении на аккумуляторах и не может быть достигнут при напряжении постоянного подзаряда. Свинцовые аккумуляторы должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда и не оставаться длительное время незаряженными, чтобы не допустить тяжелых коррозионных повреждений. В никель-кадмиевых аккумуляторах практически нет проблемы с коррозией, поэтому батареи с такими аккумуляторами могут храниться длительное время как в заряженном, так и в разряженном состоянии. Стационарные свинцовые аккумуляторы Vb и OPzS фирмы VARTA сконструированы таким образом, что оптимальный срок службы и состояние полной заряженности достигается при использовании графика IU при поддерживающем зарядном напряжении 2,23 В/эл (рис. p077). Более высокое напряжение заряда ведет к перезаряду аккумуляторов и уменьшению их срока службы. Регулярный уравнительный заряд для этих аккумуляторов не требуется. Ток постоянного подзаряда Для постоянной готовности к работе свинцовые аккумуляторы должны находиться под напряжением постоянного подзаряда. Напряжение постоянного подзаряда -- такая величина напряжения, непрерывно поддерживаемая на выводах аккумулятора, при которой протекание тока компенсирует процесс саморазряда аккумулятора. Необходимо учитывать, что ток постоянного подзаряда зависит от: напряжения постоянного подзаряда; температуры аккумулятора. Оба параметра изменяют силу тока постоянного подзаряда и, тем самым, влияют на расход воды посредством электролиза. 1 Ач сообщаемого аккумулятору заряда разлагает 0,34 г воды. При этом образуется: 0,42 л водорода; 0,22 л кислорода. В герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах газ не выделяется. На рис. p075 показано, что при повышении напряжения закрытого свинцового аккумулятора только на 200 мВ ток постоянного подзаряда увеличивается в 10 раз. При возрастании напряжения на аккумуляторе только на 2,5%, что составляет 50 мВ, ток почти удваивается. Увеличение напряжения на аккумуляторах увеличивает скорость коррозии решеток и, тем самым, приводит к уменьшению срока службы. Ток постоянного подзаряда зависит от типа аккумулятора. При постоянном подзаряде с напряжением 2,23 В/эл. и +20oС значения тока подзаряда на каждые 100 Ач аккумуляторов закрытого типа составят: GroE -- 15 мА; OPzS -- 20 мА; Vb -- 25 мА. Особенно важно поддержание оптимального напряжения постоянного подзаряда для герметизированных аккумуляторов, в которых нет избыточного электролита и не представляется возможным добавлять его в процессе эксплуатации. Влияние температуры Аналогичное влияние, связанное с увеличением тока подзаряда, оказывает и температура. При повышении температуры на 10oС удваивается ток постоянного подзаряда и, тем самым, расход воды. С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов, что сокращает срок службы аккумуляторных батарей. Повышение температуры аккумулятора на 10oС удваивает скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы. От температуры зависит и отдаваемая емкость, что иллюстрирует рис. p076. Режим разряда аккумулятора При выборе аккумулятора необходимо учитывать то обстоятельство, что разные типы аккумуляторов имеют различные разрядные характеристики. В зависимости от скорости разряда отдаваемая емкость у разных типов батарей изменяется не одинаково. Рис. p086 показывает, что при токе 200 А требуемая номинальная емкость разных типов аккумуляторных батарей различна. Поэтому стоимость батареи, состоящей из дорогих аккумуляторов (Vb), может оказаться не выше стоимости батареи выбранной для тех же условий, но состоящей из более дешевых аккумуляторов (OPzS). 2.3. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ FIAMM Стационарные аккумуляторы -- абстрактные и зачастую малоизвестные спутники будничной жизни. Мы не замечаем их присутствия на электрических подстанциях, в системах связи, в устройствах автоматики. Стационарные аккумуляторы предназначены для эксплуатации на постоянном месте или в условиях, исключающих перемещение машин, в которых они установлены. Традиционные применения включают: источники бесперебойного питания (UPS), противопожарные и охранные системы сигнализации, компьютеры и медицинские приборы. Ведущие аккумуляторные компании, такие, как VARTA, Bosch, FIAMM, Baren выпускают необслуживаемые аккумуляторные батареи. Такие аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться на перемещаемых устройствах. Фирма FIAMM занимает одно из ведущих мест в мире по производству аккумуляторов. Значительный объем производства FIAMM-GS составляют герметизированные аккумуляторы с сорбированным электролитом (AGM). В первом выпуске серии [8] Вы познакомились с автомобильными аккумуляторами FIAMM. В этой главе мы представляем стационарные аккумуляторы. Они характеризуются сокращением эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей от 0,5 до 8000 Ач, что позволяет удовлетворить требования любого потребителя. 2.3.1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Удельные весовые и объемные характеристики -- наиболее общие характеристики, отражающие технологический уровень производства аккумуляторов. Для стационарных аккумуляторов FIAMM они представлены на рис. p002. Аккумуляторы типов SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF, PMF относятся к малоуходным. Их следует располагать в специальном помещении. Все они оснащены вентилями-пробками с керамическими искрогасителями. Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов являются необслуживаемые герметизированные аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead Acid), внешний вид которых показан на рис. p004. Электролит в этих аккумуляторах находится в сорбированном или желеобразном состоянии. Это повышает надежность аккумуляторов, безопасность их эксплуатации и транспортировки. Свинцовым аккумуляторам присуща уникальная особенность -- способность выделять водород при перенапряжениях и кислород, когда напряжение свинцовой батареи приближается к значению, свойственному полному заряду. При этом происходит существенный подъем напряжения необходимый для прохождения заряжающего тока через электролит. Если напряжение, обусловливающее прохождение зарядного тока, фиксировано и достаточно высоко для заряда электродов, но не настолько, чтобы вызвать выделение газа, напряжение элемента будет расти до тех пор, пока не станет равным напряжению заряжающего источника. В герметизированных аккумуляторах реализована рекомбинация газов, выделяющихся при заряде-разряде. Поэтому эксплуатационные расходы на содержание этих типов батарей меньше, в сравнении с обслуживаемыми. Электролит сконструирован так, что генерация кислорода в процессе заряда компенсируется другими химическими реакциями поддерживающими условия равновесия, в которых батарея может длительно работать без потерь воды. Это принципиально важно для герметизированных аккумуляторов. Герметизированные аккумуляторы: SMG, SLA, UPS, FG по степени воздействия на аппаратуру и людей отличаются от своих предшественников тем, что они могут находиться в помещении с естественной вентиляцией. Для них не требуется отдельного помещения. Они оснащены искрогасящим клапаном исключающим распыление электролита и воспламенения гремучей смеси. Согласно DIN 43 539 при возрастании давления выше 30 kPa клапан аккумулятора сбрасывает избыточное давление газа. 2.3.2. КОНСТРУКЦИЯ В современных стационарных аккумуляторах применяются только пастированные электроды. Они могут быть решетчатыми, коробчатыми и панцирными. В решетчатых электродах активная масса удерживается в решетке из свинцово-сурьмяного или свинцово-кальциевого сплава (см. рис. p003) толщиной 1...4 мм. В коробчатых пластинах решетки с активной массой закрываются с двух сторон перфорированными свинцовыми листами. В коробчатых пластинах аккумуляторов SD и SDH сплав Sb-Pb легируется селеном. Панцирные пластины (рис. p005) состоят из свинцово-сурьмяных штырей, которые помещаются внутри перфорированных трубок заполненных активированной массой. Использование коробчатых и панцирных пластин позволяет изготавливать аккумуляторы большой емкости с малым внутренним сопротивлением. Для отрицательных электродов используются решетчатые и коробчатые пластины, для положительных -- поверхностные, решетчатые и панцирные. В качестве сепараторов применяют микропористые пластины из вулканизированного каучука (мипор), поливинилхлорида (мипласт) и стекловолокна. Традиционно, для увеличения прочности, пластины выполняют из сплава свинца и сурьмы. В современных моделях используют сплав свинца и кальция, а также свинца, сурьмы и селена. Применение сурьмы приводит к тому, что электролиз воды начинается уже при сравнительно низких напряжениях. Это, в свою очередь, обусловливает потери воды. Присутствие сурьмы также вызывает образование дендритов в материале пластин. Поэтому, если не принимать дополнительных мер, такие пластины сильнее подвержены коррозии и механическому разрушению. Использование селена в коробчатых пластинах SD и SDH позволяет предотвратить сурьмяное отравление аккумуляторов. Сплав свинца и кальция позволяет изготавливать более легкие и прочные пластины. Здесь электролиз воды начинается при более высоких напряжениях. Кристаллы, образующиеся в пластинах содержащих кальций -- мелкие и однородные, а их рост ограничен. Во многих моделях стационарных аккумуляторов FIAMM каждая пластина отделяется двойными сепараторами или упакована в микропористый конверт-сепаратор. В переводных инструкциях и проспектах к аккумуляторам часто встречается утверждение о том, что конверты-сепараторы выполнены из полиэтилена. Это заблуждение или ошибка перевода. Из полиэтилена (с радиационно привитой акриловой кислотой) изготавливают мембраны [5]. Конверты выполняют из пористого мипласта. Он инертен по отношению к электролиту. Конверт-сепаратор не только повышает стойкость пластин к вибрациям и ударам, но и предотвращает одну из основных причин выхода из строя батарей -- иглообразное разрастание активной массы, ведущее к замыканию пластин внутри аккумулятора. Пластины, расположенные в конвертах-сепараторах могут располагаться значительно ближе друг к другу. При этом изменяются удельные характеристики аккумулятора, в частности, повышается номинальная емкость. Конверты-сепараторы применены в следующих моделях аккумуляторов: SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF. Сепараторы из стекловолокна изготавливаются в виде циновок и используются совместно с пористыми сепараторами PVC. Двойные сепараторы применены в моделях: SMZA, SMF, SMBF. Малоуходные и герметизированные аккумуляторы доставляют меньше хлопот своим хозяевам. Это не означает, что обслуживание вообще исключается. В любом случае необходим контроль за состоянием аккумуляторных батарей. Но если они используются в устройствах с автоматическим контролем степени заряда (см. гл. 3), то не доставляют никаких хлопот. При выборе аккумулятора для стационарных условий работы потребителю следует руководствоваться характеристиками, приведенными в табл. t001 и выбирать аккумуляторы в соответствии с условиями эксплуатации. Следует помнить, что приобретение аккумуляторов типов SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF, PMF повлечет дополнительные затраты на обслуживание. Если у вас есть помещение, оборудованное для размещения обслуживаемых аккумуляторов, то его следует использовать по назначению. Выбранный аккумулятор должен соответствовать режиму эксплуатации. В аккумуляторах находящихся в эксплуатации непрерывно повторяется замкнутый цикл электрохимических преобразований. Период заряда-разряда аккумулятора называют циклом. С каждым циклом аккумуляторы изнашиваются. Долговечность аккумулятора оценивают количеством циклов заряда-разряда. 2.3.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ Различают три режима работы учитывающих особенности зарядно-разрядных процессов аккумулятора: буферный; циклический; смешанный. Если периоды разряда непродолжительны, в сравнении с периодами заряда, такой режим работы аккумулятора называется буферным. В этом режиме аккумулятор постоянно подзаряжается. Циклический режим работы характеризуется длительными периодами заряд-разряд-заряд. Полный циклический режим на практике используется редко, например, при контрольных зарядно-разрядных циклах аккумуляторов. В этом случае аккумулятор полностью заряжается, а затем разряжается до минимально допустимого напряжения и снова заряжается. Таким образом, определяют доступную емкость аккумулятора. Под доступной емкостью следует понимать максимальное количество электричества в кулонах (ампер часах (1 Ач = 3600 Кл)), которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного конечного напряжения. Минимальное конечное напряжение разряда батареи оговаривается изготовителем. Не рекомендуется использовать режим более глубокого, а также мягкого разряда, которые снижают продолжительность циклического срока службы аккумулятора. Доступная емкость после ввода в эксплуатацию увеличивается, а затем, с увеличением числа циклов, уменьшается (рис. p006). Первоначальное увеличение емкости связано с активацией пластин при вводе аккумуляторов в эксплуатацию. Количество циклов работы зависит от степени разряда аккумулятора. Чем меньше глубина разряда аккумулятора, тем большее количество циклов он прослужит. Считается, что аккумулятор отработал свой срок службы, если доступная емкость падает до 80% указанной первоначальной емкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора [8]. Зарядные и разрядные характеристики аккумулятора изменяют в зависимости от режима работы. Напряжение заряда при циклическом режиме выше, чем для буферного (рис. p008). Изготовители оговаривают предпочтительные режимы эксплуатации батарей. В случае если изготовитель приводит параметры одного режима -- это для буферного. Техника заряда Согласно рекомендаций изготовителя заряд всех типов аккумуляторов FIAMM может осуществляться в режиме плавающего и компенсационного заряда. Режим плавающего заряда аккумулятора обеспечивается, если к нему приложен потенциал превышающий его рабочее напряжение. Ток заряда пропорционален разности приложенного напряжения и напряжения холостого хода аккумулятора. Напряжение аккумулятора возрастает по мере заряда до тех пор, пока не начинается электролиз. Одновременно с этим уменьшается эффективность заряда, а напряжение на зажимах аккумулятора увеличивается по мере уменьшения скорости заряда. При таком способе заряда удается запасти до 90% доступной емкости. Напряжение заряда для стационарных аккумуляторов указано в табл. t002. Следует обратить внимание на тот факт, что малоуходные аккумуляторы могут поставляться с электролитом плотностью 1,21 и 1,25 г/см3, по требованию заказчика, в зависимости от климатических условий эксплуатации. При этом зарядное напряжение выше для аккумуляторов с электролитом более высокой плотности. После полного заряда аккумулятора дальнейшее продолжение заряда вызывает выделение газов (происходит "перезаряд"). В обслуживаемых аккумуляторах FIAMM в процессе перезаряда распыление электролита ограничено конструкцией вентилей. Режим компенсационного заряда (IU) для ячеек SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF -- позволяет зарядить аккумулятор на 100% в два этапа. Сначала батарею заряжают большим током, равным 15% емкости батареи при десятичасовом заряде до напряжения 2,3 В. Затем дозаряжают током, равным 5% емкости при десятичасовом заряде до напряжения 2,4 В. Свинцовые аккумуляторы должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда и не оставаться длительное время незаряженными, чтобы не допустить коррозионных повреждений пластин. При изменяющейся температуре зарядное напряжение следует корректировать в соответствии с поправочными коэффициентами или графиками изготовителя. Характерная кривая зависимости напряжения батарей от температуры приведена на рис. p007. При этом напряжение заряда может изменяться в пределах, указанных в табл. t002. Максимальный ток заряда герметизированных аккумуляторов SMG, SLA, UPS для режима плавающего и компенсационного заряда производитель ограничивает до 0,25% емкости. При плавающем заряде герметизированные батареи заряжают до напряжения 2,23 В/ячейку, при компенсационном -- до 2,4 В/ячейку. Изготовитель не рекомендует злоупотреблять режимом быстрого компенсационного заряда для всех типов аккумуляторов. Типичные кривые заряда для аккумуляторов FIAMM показаны на рис. p008. При зарядном напряжении большем 2,3 В следует ограничивать ток заряда до значения, указанного в табл. t002. Техника разряда Доступная емкость аккумуляторов нечувствительна к разрядам со скоростью ниже С/10. При более интенсивных разрядах емкость уменьшается по мере увеличения скорости разряда. Изготовителю достаточно привести относительно ограниченное число типичных кривых разряда. При работе аккумулятора доступная емкость определяется скоростью разряда. Типичная зависимость процентного соотношения емкости от максимального тока разряда аккумуляторов FIAMM представлена на рис. p093. При разомкнутой батарее отдаваемая мощность равна нулю, поскольку ток равен нулю. Если батарея замкнута накоротко, то отдаваемая мощность снова равна нулю, так как напряжение близко к нулю, хотя ток может быть очень большим. Среднее напряжение зависит от отбираемого тока, но линейной зависимости между этими величинами нет. Для химических источников тока зависимость времени разряда от мощности показана на рис. p094. Из графика видно, что максимальная отдаваемая мощность имеет место при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению батареи. Предельная емкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20oС), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки. Подвижность ионов и скорость их взаимодействия с электродами уменьшаются по мере снижения температуры. Большинство батарей с электролитами на водной основе уменьшают отдаваемую энергию в сравнении с той, которую они могут отдать при нормальной температуре. Если электролит замерзает, то подвижность ионов может упасть до такой степени, что батарея перестанет работать. При разряде батареи в условиях низких температур увеличивается ее внутреннее сопротивление, что приводит к выделению дополнительного тепла. Оно в некоторой степени компенсирует понижение температуры окружающей среды. В таких условиях работоспособность батареи определяется ее конструкцией и условиями разряда. 2.4. АККУМУЛЯТОРЫ HAWKER BATTERIES GROUP Несмотря на то, что свинцовый аккумулятор известен более ста лет, продолжаются работы по его усовершенствованию. В аккумуляторах происходит газовыделение. Некоторое снижение газовыделения в окружающее пространство достигается при использовании специальных пробок с каталитическими насадками. Увенчалась успехом попытка создания герметизированных аккумуляторов, в которых используется рекомбинация газов по кислородному циклу. В 1982 фирма Chloride Industrial Batteries (Chloride Industrial Batteries Ltd один из изготовителей аккумуляторных батарей. Фирма -- член международной группы Hawker Batteries Group (см. рис. 2.1). Производство расположено в Манчестере (Великобритания). Дистрибьютор на украинском рынке -- фирма Селком (см. стр. 106)) начала производство нового поколения герметизированных батарей. Их первым отличительным признаком является рекомбинация газов при заряде аккумулятора. Вторым -- изготовление сетки пластин из чистого свинца. Аккумуляторы Chloride используются для питания автономных устройств телекоммуникаций, в авиации, в источниках бесперебойного питания. Удельные весовые характеристики аккумуляторов Chloride Industrial Batteries отображены на диаграмме рис. p043. 2.4.1. АККУМУЛЯТОРЫ СЕРИИ POWERSAFE Аккумуляторы Powersafe -- герметизированные аккумуляторы в моноблочном исполнении. Выпускаются в диапазоне емкостей от 19 до 1689 Ач. Аккумуляторы могут соединяться в батареи последовательно до 200 ячеек. Положительные пластины выполнены из сплава свинец-кальций-олово. В батареях серии Powersafe осуществлена 95% рекомбинация газов. В них используются ионообменные мембраны-сепараторы осуществляющие транспортировку ионов кислорода от положительной пластины к отрицательной. Так как скорость газовыделения при заряде на положительном и отрицательном электродах не одинакова используется тот факт, что кислород выделяется на положительном электроде прежде, чем на отрицательной выделяется водород. В то же время необходимо отвести кислород с целью предотвращения окисления положительной пластины аккумулятора. Использование сплава свинец-кальций-олово позволило увеличить напряжение электролиза воды на последней стадии заряда аккумулятора. Ионообменная мембрана-сепаратор является направленным проводником ионов кислорода от положительной пластины к отрицательной. Мембрана-сепаратор имеет преимущественно горизонтальные поры. На отрицательном электроде происходит реакция соединения кислорода с водородом с образованием воды (рис. p041): 2e-- + 2H + 1/2 O2 = H2O. Таким образом, при эксплуатации аккумуляторов Powersafe выделяющиеся газы рекомбинируют с образованием воды. Диапазон напряжений для каждой ячейки батареи Powersafe составляет 2,27...2,29 В при температуре 20oС. Минимальное напряжение разряда -- 1,63 В. Производитель предупреждает, что разряженные до напряжения 1,6 В батареи следует начать заряжать в течение двух минут. Возможно приобретение аккумуляторов со встроенной защитой от глубокого разряда, однако, применяются они исключительно редко. При изменении температуры заряд и подзаряд аккумулятора следует осуществлять с учетом температурных коэффициентов, приведенных в табл. t024. Напряжение заряда определяется умножением номинального напряжения заряда на величину температурного коэффициента. Следует обратить внимание на отличие коэффициентов для различной скорости заряда. Максимальный зарядный ток батарей на протяжении всего времени заряда не должен превышать 10% номинальной емкости для режима трехчасового разряда. В табл. П2 приложения представлены технические характеристики аккумуляторов Powersafe. В таблице представлены 4 типа аккумуляторов. Оптимальные зарядные характеристики аккумулятора Powersafe приведены на рис. p038 и рис. p039. На графике (рис. p038) показана зависимость зарядного тока от времени заряда батарей, а на рис. p039 -- типичное время заряда в зависимости от степени разряда. Контроль степени заряда герметизированных аккумуляторов не может осуществляться по плотности электролита. Для аккумуляторов Powersafe изготовитель приводит зависимость напряжения ячейки и степени ее заряда (рис. p040). 2.4.2. АККУМУЛЯТОРЫ "PURE LEAD TECHNOLOGY" Под надежностью аккумулятора понимают его способность сохранять оговоренные изготовителем характеристики при эксплуатации в течение заданного времени в заданных условиях. Для аккумуляторов характерен большой разброс параметров связанных с технологией изготовления, в частности, с колебанием свойств исходного сырья. Поэтому аккумуляторы часто имеют избыточный запас активных веществ. Существует ряд факторов, которые ограничивают достижение высокой степени надежности батарей: сильное влияние незначительных примесей на свойства активных масс; большое количество технологических стадий; использование широкого ассортимента материалов. Повышение надежности связано, в первую очередь, с тщательным входным контролем всего поступающего сырья и используемых материалов. Аккумуляторы Chloride Industrial Batteries выполнены по технологии Pure Lead Technology (PLT). К ним относятся батареи следующих типов: CYCLON; MONOBLOC; GENESIS; SBS. Основа технологии PLT -- увеличение коэффициента использования элементов конструкции и активных масс электродов. Обычная конструкция аккумулятора обеспечивает их высокую надежность за счет избыточности активной массы электродов, электролита и токоведущих элементов. В них избыток реагентов и электролита составляет 75...85% от теоретически необходимых [5]. Чистые свинцовые решетки пластин впервые были применены корпорацией Gates в 1973 г. (теперь Inc Hawker Energy Products.). Основной особенностью технологии является чистота материалов и использование более тонких пластин из чистого свинца без снижения ресурса аккумулятора. Пластины изготавливаются штамповкой с последующим прокатыванием. При прокатывании происходит уплотнение свинца, закрытие пор и, как следствие, высокая коррозионная стойкость решеток пластин. В сравнении с аккумуляторами других производителей впечатляет температурный диапазон работы (см. табл. t025). Первоначально были разработаны аккумуляторы типа SBS, которые появились в начале 1980 года. Они использовались в авиации и аппаратуре связи. В 1989 году начали выпускаться батареи серий Cyclon Monobloc и Genesis. Пластины в этих аккумуляторах изготовлены из сплава олова и свинца. SBS -- батареи для широкого применения перекрывающие диапазон емкостей от 7 до 350 Ач. Высокая плотность энергии достигнута применением тонких намазных пластин, ионообменных сепараторов и сорбированного электролита. Отличительной особенностью SBS батарей является возможность быстрого перезаряда, т.к. 99% газов рекомбинирует при заряде. Они терпимы к глубокому разряду и могут работать в циклическом и буферном режимах. Особенность конструкции позволяет использовать аккумуляторы в широком диапазоне температур. Верхний предел поднимается до 60oС при использовании дополнительного стального кожуха. Конструкция аккумуляторов Cyclon и Monobloc аналогична аккумуляторам Планте (рис. p042). Их отличительной особенностью является спиральное расположение намазных пластин. Они устойчиво работают в циклическом режиме. Monobloc содержит в одном корпусе несколько банок, откуда и произошло название аккумулятора. Конструкция Genesis -- также моноблочная. Технические характеристики аккумуляторов Genesis приведены в табл. П1 приложения. Батареи от Chloride Industrial Batteries в широком ассортименте используются: в аппаратуре связи; в авиации; в вычислительной технике; в транспортных средствах; в медицинском оборудовании; в автономных возобновляемых источниках энергии. Аккумуляторы Cyclon и Monobloc перекрывают диапазон малых емкостей и предназначены, в основном, для маломощных переносных устройств. Они хорошо работают в циклическом режиме и неприхотливы. Аккумуляторы Cyclon кроме цилиндрического исполнения могут изготавливаться в заданных формах и габаритах для малогабаритной аппаратуры под заказ. Эффективность рекомбинации газов в них составляет 99,7%. Рабочее положение произвольное. Клапан избыточного давления предохраняет батарею от взрыва и срабатывает при давлении 50 МПа. 2.5. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую живую клетку [9]. Источником водорода в организме служит пища -- жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечноладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю. Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет). Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее. Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект -- электролизер вырабатывал электрический ток. Что горит в топливном элементе? Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения -- молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет -- появляется пламя. Химическая реакция сжигания углерода имеет вид: C + O2 = CO2 + тепло. В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически. Горение -- обмен электронов между атомами, а электрический ток -- направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом. Основа любого ХИТ -- два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. рис. p087) [10]. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2--). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду. В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы: газ (топливо, окислитель); электролит (проводник ионов); металлический электрод (проводник электронов). В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается "всеядным". Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, показанная на рис. p088, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3.6) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода. Два направления развития ТЭ Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика. Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем. Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку. Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%. Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента. После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ. В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа). С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов. После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом. Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике. Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют "Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp. В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме. Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии -- топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами (газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для больших количеств газа). Первое поколение ТЭ Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230oС на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (технический водород -- продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности). Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам. Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% -- это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с. Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах. Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций -- 30 лет. Второе и третье поколение ТЭ Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700oС. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы: снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода; повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде. Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до 1000oС. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов. Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие