Электрохимические батареи и топливные элементы

Электрохимические аккумуляторы

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Электрохимические аккумуляторы (ЭХА) в процессе заряда преобразуют электрическую энергию в химическую, а в процессе разряда - химическую энергию в электрическую.

Основу электрохимических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель и катод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции (Рис. 4.8), Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.

Наиболее перспективными для энергетики являются натриевые, литиевые, и воздушноцинковые аккумуляторы.

Натрий-серные аккумуляторы имеют высокую удельная энергию, а их недостатки состоят в повышенной температуре (325...350°С), относительно высокой стоимости и наличии расплавленных компонентов. Более безопасны ЭХА, в которых расплавленная сера заменена на твердый хлорид никеля (NiCl2-Na). Удельная энергия этого аккумулятора достаточно высока. Однако он также работает при повышенной температуре (300°С).

Воздушно-цинковые ЭХА обладают высокой удельной энергией, имеют достаточно низкую стоимость и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Созданные в последние годы бифункциональные катализаторы способны активировать прямой и обратный процессы на воздушном электроде. Это позволило создать небольшой аккумулятор с ресурсом 400 циклов и удельной энергией 100... 120 Вт-ч/кг. Однако требуется повышение КПД и удельной мощности этих химических источников тока.

Более высокую удельную энергию (200 Втч/кг) и ресурс имеют механически перезаряжаемые воздушно-цинковые аккумуляторы, в которых электролиты регенерируют в отдельных электролизерах, а использованные аноды заменяются новыми. Основной их недостаток заключается в необходимости создания сложной системы обслуживания.

Наиболее высокую удельную энергию из электрически перезаряжаемых ЭХА имеют литиевые аккумуляторы (Литий- фторный, литий-хлоридный). Они имеют высокую удельную энергию (2520-6270 Втч/кг) и приемлемый ресурс. В будущем их удельные энергия и мощность, а также ресурс будут увеличены, а стоимость снижена.

К настоящему времени в широких масштабах производятся свинцово- кислотные, щелочные никелыкадмиевые и никель- железные аккумуляторы. За последние годы традиционные ЭХА существенно усовершенствованы. Так, созданы малообслуживаемые и герметизированные свинцовые аккумуляторы, увеличены удельные энергия и мощность щелочных ЭХА за счет применения высокопористых электродов, оптимизации структуры и состава активных масс.

Широкое применение химических аккумуляторных батарей в энергосистемах ограничивается их малой емкостью, низким КПД и высокими удельными затратами на 1 кВтч. Расширение сферы использования химического накопления энергии возможно за счет новых типов аккумуляторов, таких, как натрий-серных, цинкохлористых и литий-серных. Они обладают большой емкостью на единицу веса и более длительным сроком эксплуатации по сравнению с традиционными кислотными и щелочными элементами.

Регенеративные топливные батареи (РТБ)

Действие регенеративных топливных батарей основано на обратимой электрохимической реакции между двумя электролитами, разделенными полупроницаемой мембраной, через которую могут передвигаться ионы (Рис. 4.9). Переход от зарядки к разрядке батареи может происходить за 0,02 секунды. Когда энергия не требуется, электролиты выкачивают из батарей и хранят в отдельных резервуарах, причем разрядки не происходит.

Чтобы перекачать электролиты обратно в батареи, требуется несколько минут. КПД современных регенеративных топливных элементов ~ 77%. Удельная энергоемкость 35-70 Вт/л.

АС на РТБ пока находятся в стадии разработки и тестирования и о внедрении в энергетику пока говорить рано, тем не менее существует несколько демонстрационных проектов мощностью 200- 800 кВт при времени работы под нагрузкой до 4 часов.

Главным преимуществом РТБ является его масштабируемость путем изменения емкости баков с электролитами и придание АС практически любой формы в плане. В остальном характеристики схожи со средними характеристиками ЭХА.

Недостатком является токсичность электролитов, и потенциальная опасность их утечки.