В качестве иллюстрации приведем некоторые харак­терные результаты испытаний ЭХГ, опубликованные в печати или доложенные на международных конферен­циях.

Для примера рассмотрим лишь три группы ЭХГ: раз­работанных по программе «Аполлон», предназначенных для подводного применения и для стационарной энер­гетики.

С одним из наиболее показательных примеров разработки свя­заны результаты наземных и полетных испытаний ЭХГ фирмы «Пратт энд Уитни» (США) для космического корабля «Аполло». До 1962 г. эксперименты проводились иа отдельных ТЭ. На рис. 10.2 показано улучшение характеристик экспериментального ТЭ для «Аполло» в процессе его усовершенствования. Рисунок 10,3 иллюстрирует влияние температуры ТЭ на удельную мощность при различных плотностях тока в ТЭ. Рисунок 10.4 демонстрирует ухудшение характеристик ТЭ во времени с ростом количества при­

месей в потребляемом кислороде в режиме работы без продувок. На рис. 10.5 показано влияние концентрации электролита па удель­ную мощность ТЭ при различных давлениях электролита. На рис. 10.6 показана роль продувок при различном содержании при­месей в кислороде в формировании ВАХ ТЭ.

Разработка ЭХГ, способного удовлетворять требованиям про­граммы «Аполло», была начата фирмой в 1962 г. В основу был положен среднетемпературный ТЭ Бэкона с электролитом в виде

водного раствора КОН, Активная площадь электрода 0,037 м2. В батарею с напряжением 27—31 В собирается последовательно 31 ТЭ. Вода с анода удаляется циркулирующим водородом. На рис. 10.7 приводятся результаты исследования массообменного рав­новесия в системе водоотвода.

Батарея ТЭ «Аполло» мощностью 563—1420 Вт рассчитана на работу свыше 400 ч. Масса батареи ТЭ без вспомогательных си­стем равна 100 кг, КПД — не менее 73%. Энергоустановка «Апол-

Л6» состоит из трех батарей ТЭ, масса которых со вспомогатель­ным оборудованием равна 335 кг.

На рис. 10.8 показано изменение характеристики трех парал­лельных батарей ТЭ в зависимости от длительности их работы.

Система «Аполло» прошла наземные испытания в 1965 г., пос­ле чего начались летные испытания на космических кораблях

«Аполло-П» (август 1965 г.),

«Аполло-IV» (ноябрь 1967 г.), «Аполло-VI» (апрель 1968 г.). По­петы были продолжительностью от

Рис. 10.7. Данные исследова­ния массообменного равнове­сия. Зависимость концентрации КОН от отношения массы цир­кулирующего Н2 к массе Н2, вступившего в реакцию. / — при 26 °С; 2 —при 60 °С; 3 — температура на выходе из конден - сагорл.

2 до 29 ч. В конце 1968 г. проходили испытания на «Аполло-VIb в течение 779 ч и на «Аполло-VIII» (облет Луны) в течение 440 ч. Начиная с «Аполло-Х» устанавливались по три батареи ТЭ на ко­раблях (на предыдущих — по одной батарее ТЭ).

За 13 космических полетов кораблей «Аполло» было произведе­но 4369 кВт-ч электроэнергии, ЭХГ в сумме проработали в космо­се 6325 ч, из которых 476 ч — на лунной орбите, выработали 1580 кг воды, служившей для питья, приготовления пищи, охлаж­дения кабины. Средний расход реагентов составил 0,36 кг/(кВт-ч). При работе на Луне ЭХГ вырабатывал 885 кВт-ч на 1 кг массы энергосистемы, включая массу реагентов, емкостей, излучателя и

Рис. 10.8. Характеристика трех параллельных батарей ТЭ. / — при подъеме*. 2 — через 56 сут.

М2. Последующие полеты, кроме «Аполло-ХШ», сопровождались йб - садкой па Луну. Дефектов, связанных с работой ЭХГ, не отмечено. Авария на «Аполло-VIII» ('взрыв кислородного бака, послуживший причиной досрочного возвращения корабля), связана с системой питания ЭХГ и вызвана нарушением правил проверки системы по­догревателя кислорода в баке. Она могла быть предотвращена со­ответствующей блокировкой в системе проверки.

Рис 10.9. Профили нагрузоч-
ных характеристик.

Рис. 10.10. Ступенчатые про-
фили.

Разработка ЭХГ для «Аполло» велась фирмой «Пратт эид

Уитни» 10 лет. Для производства был создан завод площадью 16 000 м2. В разработках участвовали 1000 чел. За время разрабо­ток удельная масса снижена с 77 до 7,7 кг/кВт, ресурс более чем удвоен (до 1000 ч), номинальная мощность увеличена в 15 раз.

В результате испытаний ЭХГ для «Аполло» установлено, что ЭХГ этого типа может служить падежной ЭУ космических аппара­тов для последующих проектов: орбитальных станций, лунных стан­ций, полетов на Марс и другие планеты и за пределы Солнечной системы.

В этом плане представляют интерес данные об испытаниях ба­тареи ТЭ системы РС8А, закупленной у «Пратт энд Уитни» в ис­следовательском центре Льюиса. Испытания направлены на улучше -

ниє характеристик, снижение деградации энергии и удлинение жиз­ни вспомогательных систем, необходимых для послеаполловских космических миссий.

В конце 1967 г. испытывался в течение 1500 ч ЭХГ из 36 водо­родно-кислородных ТЭ общей мощностью 2 кВт (анод—^окислен­ный Ni с Pt—Pd; катод — позолоченный N'i, покрытый PTFE с Pt—Pd; асбестовая матрица; электролит — 35% КОН, Нг и Ог при р = 0,12 МПа чистотой 99,999%, температура батареи ТЭ 62,8 °С; температура конденсато­ров 48 °С).

Испытания велись по специ­альной нагрузочной программе, со­ставленной NASA. В начальные 280 ч испытания велись по пяти нагрузочным профилям, представ­ленным на рис. 10.9 и 10.10, для выявления характеристик ЭХГ при нагрузках 2500 Вт в периоды от 3 до 12 ч на каждой нагрузке и реакции ЭХГ на ступенчатое изменение нагрузки. Каждую не­делю проводилось по два 48-ч цик­ла. От 280 до ИЗО ч проводились 24-ч циклы с прекращением испы­таний на выходные дни. Нагрузоч­ные профили этого типа показаны на рис. 10.11. Каждые 100 ч было по пять перегрузок. Следующие 370 ч велись непрерывные испы­тания, за исключением кратковре­менных перерывов, вызванных оперативными трудностями. После 1500 ч работы с нагрузкой батарея ТЭ перезаправлена электроли­том и еще испытывалась 50 ч.

Во время испытаний регистрировались все постоянные парамет­ры. Записывались: ток и напряжение батарей ТЭ, напряжение каж­дого ТЭ, расход реагентов в батарее ТЭ, расход теплоносителя, давление реагентов и теплоносителя, падение давления теплоноси­теля в батарее ТЭ, падение давления водорода в вентиляторе и конденсаторе. Измерялись температуры в 17 точках — в батарее ТЭ, в каналах реагентов и теплоносителя.

На рис. 10.12 показана средняя характеристика, полученная для профилей, изображенных на рис. 10.9. Рисунок 10.12,6 пред­ставляет среднюю ВАХ для этого периода испытаний. Рисунок 10.13 показывает ход напряжения и тока в момент ступенчатого изме-

U

I

0 1 І З Ц мин

Рис. 10.13. Динамическая ха-
рактеристика ТЭ.

нения нагрузки (динамическая характеристика). Ток изменяется почти ступенчато. Напряжение мгновенно падает на 60—80% об­щего снижения, затем снижается ниже уровня, соответствующего

данной нагрузке, достигая мини­мума за 15—20 с, и затем посте­пенно возрастает в течение 3—4 мин до постоянного уровня. Рису­нок 10.14 показывает потребление энергии ЭХ Г в период пуска для разогрева от комнатной темпера­туры до 63 °С и для работы цир­куляционного насоса. Для упро­щения в действительности потреб­ная энергия подавалась внешним источником, а эквивалентное ко­личество ее из ЭХГ рассеивалось на нагрузочном устройстве. При напряжении 30 В нагреватель по­требляет 11 А, а вентиляторы И2 и 02— по 4 А каждый. На рис. 10.15 показано изменение напря­жения батареи ТЭ при 1 и 2 кВт за все время испытаний. Нере­гулярности, которые более видны на уровне 2 кВт, могут быть ча­стично связаны с нарушениями, хронологически перечисленными в табл. 10.1.

На рис. 10.16 показано изменение напряжения при различных мощностях в различные периоды испытаний. На рис. 10.17 изобра­жена деградация (скорость снижения) напряжения при различных токах.

Приведенное описание иллюстрирует подход к испытаниям и характерные результаты.

Генераторы водородно-кислородного типа для подводного при­менения испытывались фирмой «Варта» (ФРГ) свыше 3 лет. Сред­няя мощность блока 10 кВт. Период между обслуживаниями 0,5 года.

Час работы	Нарушения н і х устранение
82	Сломался вентилятор Н2. Заменены вентиаятор и на­сос теплоносителя
290	Теплообменник загрязнллея. Очищен и заменен
426	Загрязнится теплообменник. Ошцен и заменен. Пос­ле замены потек. Заменен медный трубчатый змеевик в ванне теплоносителя
495	Разбалансировался контроль теплоносителя. Характе­ристики элементов с 1 по 14 ухудшились. В контур теплоносителя поставлен регулировочный клапан
599	Клапан в контуре теплоносителя заменен на иголь­чатый д'ія более тонкой регулировки
620	Замечен дисбаланс охтаждения между передней и задней половинами модуля
922	Проверена утечка реагентов Н,—-02-анализа тором. Вход и выход соединены

Генераторы для подводного применения испытывались и в дру­гих странах. На базе ТЭ с матричным электролитом фирма «Пратт энд Уитни», модифицируя космический ЭХГ РС8В, разработала и испытала ряд ЭХГ для исследовательской подводной лодки и транс-

портного устройства технической помощи (демонстрационные ЭХГ типов РСІ2 и РС15А). В первых испытаниях под водой осенью 1969 г. использовалась демонстрационная установка мощностью 3 кВт на базе РС8В в защитном резервуаре. Генератор в течение 2 дней снабжал электроэнергией гидролабораторию в 1,5 км от

берега во Флориде на глубине 15,3 м. Удельная энергий при за­пасе реагентов на 62 кВт-ч составляла 30,6 Вт-ч/кг. У РС12 удель­ная энергия достигает 1100 Вт-ч/кг прн энергоемкости 100 кВт-ч.

Энергоустановки с ЭХГ водородно-кислородного типа с цирку­лирующим электролитом для морского применения разработаны и испытаны фирмой «Хлорайд электрикал сторидж» (Великобрита­ния). Элементы мощностью 50 Вт испытаны в течение более 2000 ч без заметного снижения характеристик. На их основе разработан ЭХГ для бакенов с непрерывным ресурсом 6 мес (13 000 А-ч).

ЭХГ Н2—02 при 33°С.

Эта фирма испытала водородно-кислородный ЭХГ под водой. На глубине 8 м 50-ваттная батарея была прикреплена к дну у о. Мальта и работала при давлении окружающей среды в море, обеспечивая недельную энергию для подводного дома, обслужи­ваемого аквалангистами. Общая выработанная энергия составила 5,4 кВт-ч, остаток газа — еще на 3 кВт-ч; 25 Вт использовалось для питания источника света и вентилятора в агрегате очистки воз­духа, остальная энергия применялась для горячего питья и лампы в 100 Вт для подводной фотосъемки. Батарея состояла из 16 ТЭ, обеспечивая напряжение 12 В при токе 4 А (0,16 А/см2) в течение 10 дней. Электролит — 35%-ный раствор КОН. Вода не отводи­лась. Температура ЭХГ была на 8°С выше температуры окружаю­щей среды при работе с мощностью 25 Вт. На рис. 10.18, 10.19 представлены характеристики этого ЭХГ.

Фирма «Электрик пауэр сторидж» (Великобритания) испытала ТЭ малой мощности с ресурсом 3 года для морского буя и 6 мес — для маяков.

В ходе некоторых испытаний выявлены аномальные явления массопереноса в пористых электродах, так называемые «пробуль - киваиие» и «промокание».

Фирмой «Энерджи конверт»» (Великобритания) проведены испытания водородно-воздушного ЭХГ для подводного применения из 48 ТЭ с циркулирующим электролитом (4—6 и. КОН) с номи­нальной мощностью 2,5 кВт. Общий электролит обусловливает утеч­ки тока около 100 мА/элемент, которые приводят к переполюсовкам во время пуска ЭХГ. Рабочая температура 60—80°С. Скорость

циркуляции электролита 0,100 л/мин на ТЭ. Избыточное давление газа 7500 Па. Кратность циркуляции воздуха 2,5. Номинальная плотность тока 0,150 А/см2. Электрод (одинаков для Нг и Ог) вы­полнен в виде пористой никелевой подложки с нанесенной на нее мелкодисперсной смесью катализатора и политетрафторэтилена. Одна нз характеристик этого типа катодной структуры — тенден­ция к «промоканию» («катодное протекание», «запотевание») элек-

Рис. 10.21. Влияние давления
газа иа напряжение ячейки
при 0,15 А/см2.

тролита в газовое пространство. Объем электролита, вытекающего в воздушный контур, пропорционален плотности тока. Предполага­ется, что это электрохимическое явление, зависящее от структуры электрода и связанное с электрокинетическими явлениями, устра­нить его полностью не удалось. Высказывается мнение о возможно­сти свести промокание к пренебрежимому минимуму за счет увели­чения толщины гидрофобного слоя.

На рис. 10.20 показано влияние температуры на плотность то­ка, а на рис. 10.21—давления газа на напряжение этого ЭХГ. Рисунок 10.35 дает теоретическое и экспериментальное распределе­ние потерь энергии в системе. На рис. 10.22 показано влияние пар­циального давления кислорода на предельную плотность тока ТЭ. Рисунок 10.23 иллюстрирует зависимость анодной поляризации от карбонизации электролита за счет углекислого газа воздуха.

При испытании ЭХГ мощностью 3 кВт скорость промокания при 70 °С составила 330 см3/(ч-м2). После испытания на лабора­торных образцах различных средств предотвращения промокания (закрепления пористого слоя из гидрофобного материала с газовой стороны электрода, изменения потенциала поверхности и обработки углерода — носителя катализатора) удалось полностью устранить промокание путем применения модифицированного углерода. Для предотвращения пробулькивания газов в электролит, наблюдавше­гося в ходе испытаний, на электроды со стороны электролита на­носили гидрофильную пленку из бутадиенстирольного латекса.

В связи с программами применения ТЭ в стационарной энерге­тике в последние годы в США большое внимание уделяется испы­таниям ТЭ, батарей ТЭ и ЭХГ, предназначенных для больших электростанций, использующих природный газ.

В 1967 г. газовыми компаниями США и Канады была разра­ботана программа ТАРЖЕТ (Team to Advance Research for Gas Energy Transformation), цель которой — оценка возможности и эко­номической целесообразности выработки электроэнергии из газа

6 п на месте ее потребления. Разработано семейство ЭУ на ТЭ, работающих на природном газе. Эта программа осуществлялась фирмой «Юнайтед текнолоджиз корпорейшн». В период 1971 — 1977 гг. было изготовлено и размещено у потребителей 65 ЭУ мощ­ностью 12,5 кВт. Эти ЭУ работали как индивидуально, так и па­раллельно с традиционными электрическими подстанциями, снабжая энергией жилые дома и промышленные здания. За период эксплуа­тации они проработали в сумме 200 000 ч и выработали 10е кВт-ч электроэнергии. Результаты этих испытаний были использованы для разработки прототипа ЭУ мощностью 40 кВт (PC 18).

/— З н. К2СО3, 2 Н. КОН; 2 — 2 н. KsCOa. З н. КОН; 3—1 и. К2С02, 4 н. КОН; 4 — 0,5 н. K2COs,

4,5 н. КОН;---------------------- расчетные

кривые; а — КНС03/Н2С0з=1: б —
КНСОз; в — К2СОз/КНСОз=I.

В 1971 г. ЮТК «Эдисон электрик инститьют» и, еще десять фирм финансировали исследования перспективных ЭУ иа ТЭ. В 1972 г. эта программа разделилась иа две: FCQ-1 (Fuel Cell Generator-1) и RP114. Программа FCG-1, направленная на разра­ботку электростанции мощностью 26—27 МВт, основана на ТЭ с фосфорнокислым электролитом.

Программа RP114, предназначенная для оценки перспективных направлений развития ТЭ и направленная на снижение стоимости, повышение эксплуатационной гибкости и срока службы ЭУ с ЭХГ, базируется сейчас на исследованиях ТЭ с расплавленным карбонат­ным, щелочным, твердокислым и фосфорнокислым электролитами, с электродами из пористого никеля и с катализатором не из бла­городных металлов, использующих дешевые топлива (природный газ, метанол и другие углеводороды, продукты газификации угля и т. д.) и воздух. При испытании отдельных ТЭ по этой программе выявляются возможности их совершенствования. Так, путем арми­рования удалось устранить растрескивание, появляющееся при тер - моциклировании в диапазоне от комнатной температуры до рабо­чей. При проведении испытаний было обнаружено снижение харак­теристик ТЭ после 1000—2000 ч работы, причиной которого яви­лось ухудшение стабильности анода. Был разработан улучшенный анод, с которым ТЭ имели стабильную характеристику уже более 7000 ч. В дальнейшем предполагается довести стабильность до 414
40 000 ч. Другой обычной причиной ухудшения характеристик ТЭ с расплавленным электролитом является постепенная потеря элек­тролита из ТЭ. Как показали испытания, потеря электролита начи­нает сказываться после 3000—5000 ч. Это явление изучается экс­периментально как на отдельных ТЭ, так и на сборках ТЭ. Кроме того, разработано устройство для добавления небольших количеств электролита в работающие ТЭ. К 1975 г. ТЭ с таким устройством проработали со стабильными характеристиками свыше 5000 ч. В соответствии с программой была разработана конструкция ТЭ с поверхностью электродов 929 см2. Две сборки, содержащие по шесть таких ТЭ, были успешно испытаны. Первая сборка прорабо­тала без снижения характеристик в течение 1650 ч с тремя термо­циклами. Во второй сборке были снижены омические потери в кон­тактных сопротивлениях между повторяющимися металлическими деталями батареи ТЭ.

В начале 1976 г. была собрана и испытана батарея из 376 ТЭ по программе FCQ-1. Для электростанции мощностью 26 МВт нуж­но около 100 таких батарей ТЭ. В США испытана демонстрацион­ная электростанция на ТЭ мощностью 4,8 МВт.

Таким образом, обзор результатов испытаний различных ЭХГ иллюстрирует как методы испытаний, так и разнообразие проблем, решаемых в ходе испытаний, а также параметры ЭХГ, изучаемые в процессе испытаний.

Для сопоставления ВАХ различных ЭХГ часто ток относят к площади видимой поверхности электродов, по­лучая функцию U(J) (напряжение — плотность тока). Примеры таких ВАХ показаны на рис. 10.12,6, 10.26, 10.29—10.33. В качестве параметров при снятии ВАХ

Рис. 10.25. Вольт-амперная характеристика ЭХГ.

а — гидразин — воздух; б — водород — воздух.

нередко выступают давление реагентов (рис. 10.29 и 10.19) и температура (рис. 10.30 и 10.33). При изучении отдельных электродов строят поляризационные кривые, откладывая на оси ординат поляризацию одного или

обоих электродов, а по оси абсцисс — ток или плотность тока. Примеры поляризационных кривых приведены на рис. 10.23, 10.32 и 10.34.

Вольт-амперная характеристика служит источником получения ряда параметров и характеристик ЭХГ. В тео­ретических исследованиях экспериментальную ВАХ во всей области существования или в ее части часто аппро­ксимируют аналитическими выражениями. Обычно ВАХ

в области рабочих значений токов может быть аппро­ксимирована линейной функцией 7

U=E0—RI, (10.1)

где R — полное внутреннее сопротивление ЭХГ для обла­сти значений /, в которой справедливо выражение (10.1),

(Ю.2)

'2 М

а Е0 — ЭДС линеаризованной ВАХ,

№а=9 кПа-

Рис. 10.30. Влияние тем - Рис. 10.31. Зависимость напряжения

пературы на ВАХ ТЭ ячейки и плотности энергии от плот-

при 22,0 МПа. пости тока.

1 — 93°С; 2 — 122Х; 3 - 150Х.

Индексами 1 и 2 обозначены соответственные пары экспериментальных значений U и / в линейной области

ВАХ. >и • ....-і і § .л w*v -,j. ••

При определении полного внутреннего сопротивления для нелинейной области ВАХ пользуются выражением

R-=dU/dI (10.4)

ИЛИ. ....... , ,, '

R=^t h (Ю.5)

^ 0,8 4,4

к-

О

где Е соответствует ординате точки пересечения с осью U касательной к ВАХ в исследуемой точке I.