Для ТЭ с катионообменными мембранами представ­ляет интерес использование в качестве окислителя кис­лорода воздуха. Этот интерес обусловлен простотой конструкции ТЭ и отсутствием карбонизации электро­лита углекислым газом, находящимся в воздухе.

Особенности работы воздушного катода по сравне­нию с кислородным обусловлены в основном тремя мо­ментами:

1) парциальное давление кислорода в воздухе при нормальных условиях составляет примерно 20 кПа;

2) в зону реакции вместе с кислородом поступают блокирующие инертные примеси (в основном азот), что приводит к дальнейшему снижению парциального дав­ления кислорода в зоне реакции;

3) вследствие более высокого давления паров воды над мембраной, чем давление паров воды в окружаю­щем воздухе, происходит непрерывный отвод воды в па­ровой фазе.

В соответствии с результатами, изложенными в пре­дыдущем параграфе, понижение давления кислорода с 100 до 20 кПа должно приводить к снижению напря­жения примерно на 10 мВ при той же плотности тока, однако возникающие при этом диффузионные потери в подложке электродов приводят к более сильному паде­нию напряжения.

В [6.20] исследовано влияние различных структурных факторов воздушных электродов на характеристики ТЭ. В связи с тем что для конкретных электродов учет их связан с большими трудностями, а в электродах ТЭ с ИОМ появляется дополнительный фактор — вода в под­ложке, представляется целесообразным перейти к об­суждению эксперименталь­ных данных. Принудитель­ный вынос азота из воздуш­ных каналов можно осуще­ствить или с помощью спе­циальной воздуходувки, или за счет естественной конвек­ции, возникающей в резуль­тате собственного тепловы­деления - В источниках тока малой мощности использо­вание воздуходувки приво­дит к усложнению системы, поэтому рассмотрим случай с естественной конвекцией.

Исследования проводились н-я батарее ТЭ, состоя­щей из 20 последовательно бочей площадью 25 см2 Элемент аналогичен по конструкции представленному на рис. 6.33, в котором вместо кислородного полукор - пуса расположена дистапциоиирующая решетка с ме­таллическими ребрами высотой Ь. На рис. 6.36 показан общий вид батареи. Вольт-амперная характеристика этой батареи в зависимости от воздушного зазора при естественной конвекции представлена на рис. 6.37. Вид­но, что зазор 2,4 мм обеспечивает удовлетворительные

характеристики.

Наиболее сложным вопросом при разработке водо­родно-воздушных батарей с ИОМ является сохранение і ее влажности во время эксплуатации и хранения, так, как проводимость мембраны при ее дегидратации су­щественно снижается. В качестве иллюстрации приве­дены данные по динамике изменения проводимости ИОМ при нахождении ее на воздухе (рис. 6.38).

Следовательно, процессы тепломассообмена должны быть организованы таким образом, чтобы количество отводимой через паровую фазу воды в каждой точке

электрода было меньше, чем ее образуется в результа­те электрохимической реакции при всех условиях экс­плуатации (изменение тока нагрузки, температуры, дав­ления и влажности окружающего воздуха). Жидкая вода может быть отведена самотеком, с помощью фи­тилей или другими способами. Следует иметь в виду,

что плохая организация отвода жидкой воды может привести к закупорке воздушных каналов и резкому ухудшению выноса азота. Для облегчения процесса сте­нания воды мы, как правило, проводили гидрофобиза - цшо элементов конструкции, образующих воздушные каналы.

Для исследования влияния расхода воздуха на ха­рактеристики батареи производились изменения пе-

ложения воздушных кана­лов относительно горизон­тальной плоскости (угол а). Полученные результаты, представленные на рис. 6.39, показывают, что при высоте воздушного канала 2,4 мм даже чисто диффузионный режим (а = 0) не приводит к существенному ухудшению электрических характери­стик. При горизонтальном расположении каналов пре­дельно допустимая темпера­тура окружающего воздуха составила примерно 50°С

(температура внутри батареи 60----- 65°С), в то время

как при вертикальном положении уже при температуре окружающего воздуха 25°С начинается пересушка цен­тральных ТЭ и выход батареи из строя.

С учетом этих явлений для батарей малой мощности наиболее целесообразным является горизонтальное рас­положение воздушных каналов. Качественная картина процессов в ТЭ с горизонтальными каналами представ­лена на рис. 6.40 для случая, когда температура ТЭ постоянна. По оси ординат отложено отношение полу - длины воздушного канала к его площади L/f. Кривая / показывает изменение расхода испаряющейся воды, а кривая 2—напряжение на ТЭ. Линия 3 соответствует количеству образовавшейся воды при токе /. При Ljf меньше критического количество испарившейся воды превышает количество образовавшейся; при больших значениях L/f поляризация воздушного электрода до­стигает больших значений. Поэтому для устойчивой ра­боты батареи ТЭ выбирается такое значение L/f, кото­рое, с одной стороны, обеспечивает необходимый режим влажности (йіНа0)нт <. (WH,0)05P> а с другой —не прнв0. дит еще к большей диффузионной поляризации. Как уже было отмечено, L/b —10 обеспечивает необходимые усло­вия до температуры ТЭ примерно 65 °С. Ясно, что расчет по диаграмме, представленной на рис. 6.-10, должен про­водиться одновременно с тепловыми расчетами и с по­следующими экспериментальными провеоками.

Если имеется возможность регулирования темпера­туры ТЭ в соответствии с токовыми нагрузками и окру­жающими условиями, то возможен п вынос инертных примесей с помощью принудительной циркуляции воз­духа. На рис. 6.41 показана рабочая характеристика ТЭ как функция относительно­го расхода воздуха (т. е. отношения истинного расхо­да к стехиометрическому).

Однако по мере увеличения расхода воздуха увеличи­ваются и потери воды от испарения, показаны макси­мально допустимые темпе­ратуры на ТЭ в зависимо­сти от скорости воздуха и давления.

Таким образом, работа ТЭ с ИОМ при использова­нии ее в качестве окислите­ля воздуха ограничена но температуре, давлению и скорости движения воздуха, что обычно не наблюдается в ТЭ с жидким электроли­том вследствие того, что

Рис. 6.4г. Допустимые скоро - давление водяного пара над

__ „ ________ г МУ TJ ТТ Т,' ТI К 4 ОПОУТПАПНТПИ плин - живания до наступления равновесного режима.

6.4.2. Ресурс работы

Одной из основных характеристик ТЭ является их способность к длительной работе, так как только в этом случае становится целесообразным их использование. Работоспособность ТЭ с ИОМ определяется в основном тремя моментами:

химической и термической стойкостью ИОМ;

сохранением активности катализатора;

сохранением гидрофобных свойств электродов.

Использующиеся в настоящее время полностью фто­рированные ИОМ в принципе обладают комплексом свойств, удовлетворяющих всем поставленным перед ними требованиям.

Для сохранения активности катализатора в течение всего срока службы необходима тщательная очистка ИОМ от возможных органических примесей и, что qco-

Так как в качестве гидро - фобизатора как активного слоя, так и подложки наибо-

1 — полистиролсульфокислота («Джеми - ни»), 1964 г.; 2— политрифторстиролсуль - фокислота, 1966 г.; 3 — перфорированная мембрана, 1967 г.; 4 — перфорированная

мембрана, 1968 г.; Л—продемонстрирован­ный ресурс; 4 — испытания продолжаются.

Лее чаСто используется водная суспензия фторопласта, стабилизированная поверхностно-активными вещества­ми, необходимо выбирать режим термообработки элек­тродов, обеспечивающий их полное удаление.

Проведение перечисленных выше мероприятий обеспе­чивает работоспособность ТЭ с ИОМ в течение многих тысяч часов. Прогресс, достигнутый в повышении ре­сурса работы и рабочей температуры, проиллюстриро­ван на рис. 6.43 для различных типов ИОМ. К моменту публикации сообщения четырехэлементный блок рабо­тал более 34 000 ч. Большую часть времени (30 000 ч) блок работал при 82°С и плотности тока 0,130 А/см2 с напряжением 0,82 В. Сообщено также о работе ТЭ при 105°С с плотностью тока 0.54 А/см2 (напряжение 0,6 В) более 5000 ч.