Наиболее распространенный способ удаления иереа - гирующих газовых примесей в существующих ЭХГ—про­дувка их газовых полостей свежим газом. Принципиаль­но возможны системы, основанные на различных меха­низмах поглощения примесей, однако подобные систе­мы усложняют ЭХГ и не обладают универсальностью продувки. Поэтому здесь рассматривается только систе­ма удаления примесей продувкой.

Важность системы продувки определяется, с одной стороны, необходимостью экономного использования реагентов, а с другой — опасностью аварийной ситуа­ции, наступающей при неконтролируемом накоплении примесей. Существенным требованием, предъявляемым к системе продувки, является обеспечение заданного содержания примесей в каждом из элементов, входя­щих в состав ЭХГ. Система продувки выбирается с учетом конструкции ЭХГ. В свою очередь необходимость эффективного удаления примесей предъявляет свои тре­бования к устройству ЭХГ. Существуют две основные схемы подачи реагентов в ТЭ ЭХГ — последовательная

и параллельная. Эти схемы существенно отличаются как по механизму накопления примесей в отдельных ТЭ ЭХГ, так и в части требований к системе продувки.

В § 4.4 было указано на относительно быстрый про­цесс накопления примесей в единичном ТЭ. Работа ТЭ в составе батареи ТЭ ускоряет этот процесс в некоторых ТЭ. В батарее с параллельной газовой схемой из-за разброса гидравлических сопротивлений газовых трак­тов ТЭ накопление примесей происходит неравномерно.

Рис. 5.30. Параллельная подача газа. .7 — газовая камера ТЭ; 2 — входной коллектор; 3 — выходной коллектор. ,

Разброс сопротивлений ТЭ связан не только с допуска­ми технологии изготовления, но также с появлением пленок и капель электролита и конденсата в газовых каналах, что обусловлено промоканием электродов или конденсацией водяных паров. Не исключено и механи­ческое загрязнение. В связи с этим в батареях с парал­лельной газовой системой отдельные ТЭ с повышенным гидравлическим сопротивлением питаются газами не только от входного, но частично и с выходного канала (рис. 5.30). Так как газ, подаваемый через выходной канал, уже обогащен примесями при прохождении со­седних ТЭ, в таком (или таких) ТЭ ускоряется накоп­ление примесей.

Разброс гидравлических сопротивлений ТЭ влияет, естественно, и на скорость их продувки. Продувка ба­тареи с параллельной газовой системой не гарантирует. продувки отдельных ее ТЭ в необходимом количестве, и, более того, капельная жидкость может полностью пе­рекрывать каналы, имеющие, как правило, по условиям компоновки небольшие размеры, при которых действие капиллярных сил сравнимо с перепадом давления на газовых каналах, возникающим при продувке. Посте­пенное накопление примесей в отдельных ТЭ приводит 268

сначала к снижению их электрических характеристик, а затем или к прекращению генерации тока в них (при параллельном электрическом соединении ТЭ в батарее), или к отказу ТЭ и батареи в целом типа «переполюсов - ка» (при последовательном электрическом соединении ТЭ в батарею). Поэтому для эффективного удаления примесей из батареи с параллельной газовой схемой необходимы специальные меры. Некоторое повы­шение эффективности продувки достигается с помощью контура циркуляции газа. При этом сглаживается неравномерность содержания примесей в ТЭ батареи, вызванная разбросом их сопротивлений. Более эффективно удаление примесей так называемой промывкой, т. е. периодическим снижением давления га­за в батарее и сбросом части газа в атмосферу при од­новременном отключении подачи газа в нее. Однако применение подобной системы удаления примесей огра­ничено механическими свойствами электродов и, кро­ме того, в процессе промывки электрические характери­стики нагруженного генератора могут снижаться ниже допустимых. В некоторых конкретных задачах, несмот­ря на свои недостатки, параллельная газовая система оказывается предпочтительной. Примером может слу­жить воздушная система водородно-воздушного ЭХГ, где параллельная подача воздуха целесообразна энер­гетически, если учесть затраты энергии на подачу воз­духа. Необходимый расход воздуха многократно превы­шает электрохимический расход кислорода, что несколь­ко упрощает задачу продувки всех ТЭ батареи, но и в этом случае применяют калиброванные дроссели в воз­душных каналах ТЭ,

Если распределение примесей по ТЭ в параллельной системе носит случайный характер и концентрация при­месей в отдельных ее ТЭ может превышать концентра­цию их в продувочном газе батареи, то последователь­ная газовая схема обеспечивает закономерное распре­деление концентрации примесей по ТЭ, которая нара­стает от входа к выходу газа, но не превышает концент­рации примесей в продувочном газе. В последователь­ной схеме различие гидравлических сопротивлений ТЭ не влияет на скорость их продувки. Все примеси прохо­дят поочередно все ТЭ батареи. Расход на продувку батареи независимо от газовой схемы, так же как и для единичного ТЭ, может быть оценен коэффициентом

продувки К, равным отнесению объемного расхода ба­зовой смеси на продувку батареи ;к объемному расход^ чистого газа на реакцию, 1 п

С„

где С0 — объемная концентрация примесей в исходном газе; Спр — объемная концентрация примесей в проду­вочном газе.

При известной С0 и выбранном К в продувочном газе устанавливается концентрация примесей

К 4- 1

К

В приложении к последовательной газовой схеме (рис. 5.31)—это концентрация С„ примесей в послед-

»•>

V J

нем по ходу газа ТЭ. Сп не зависит от количества по­следовательно соединенных ТЭ, и при использовании газа с известным содержанием примесей С0 определяет­ся коэффициентом продувки К-

Распределение концентрации примесей в ТЭ после­довательной схеме можно оценить по формуле

р_____ р л(С ~Т 1) . ■ ■

т 0 П(К+ 1) — т > - • :

где Ст — концентрация примесей в «2-м ТЭ.

Таким образом, концентрация примесей в ТЭ после­довательной схемы, исключая последний, зависит от его порядкового номера в газовой схеме, и для п—1-го ТЭ эта зависимость максимальная

р _____ р п (К + 1)

"-1~ ° пк+1 • .. '*

Отношение (

Сп_____ пК - f - 1

Ь Ск-1~~ ПК :i ‘ -

показывает, что п—1-й ТЭ последовательной схемы ра­ботает на более чистом газе, чем продувочный. Напри­мер, при п=30 для техни­ческого газа (/(^0,005)С„/

С„_1^7,7. Для остальных ТЭ батареи это отношение увеличивается. Соответ­ственно этому распределе­нию примесей батарея ТЭ с последовательной газовой системой имеет более высо­кие электрические характе­ристики при прочих равных условиях (С0; К), чем ба­тарея с параллельной схемой (рис. 5.32).

Различие установившихся концентраций в последо­вательной и параллельной схемах увеличивается для более чистых газов.

Накопление примесей в последнем по ходу газа ТЭ в последовательной схеме ускоряется по сравнению с единичным ТЭ. Если принять, что примеси, поступающие в батарею, собираются в последнем ТЭ, то скорость на­копления в нем должна уве­личиться в п раз (если пре­небречь накоплением приме­сей в остальных ТЭ бата­реи, что допустимо для тех­нических газов). Сравнитель­ные экспериментальные кри­вые спада напряжения (рис. 5.33) подтверждают это. Элементы с высоким гидрав­лическим сопротивлением пе могут быть соединенными в последовательную газо­вую схему, так как при этом возникает большой перепад давления на батарее, сравнимый с перепадом давления между газом и элек­тролитом. Для таких ТЭ применима так называемая каскадная газовая схема, т. е. смешанное параллельно­последовательное соединение ТЭ. Газовые камеры ТЭ в этой схеме объединены в несколько каскадов, соеди­ненных последовательно, а каскады состоят из опреде-

ленного количества камер, соединенных параллельно. Распределение камер по отдельным каскадам осуществ­ляется таким образом, чтобы перепад давлений на каж­дом каскаде был одинаковым. В расчете числа каска­дов должен учитываться максимально допустимый раз­брос гидравлических сопротивлений газовых камер ТЭ. Количество газовых камер в ступенях падает в направ­лении потока газа. Это дает возможность обеспечить достаточно высокие скорости потока газа в отдельных камерах, несмотря на убывание потока газа в последую­щих каскадах за счет электрохимических реакций. Та­ким образом, каскадная схема напоминает пирамиду, заостренную для чистых газов. При использовании силь­но загрязненных газов все каскады должны содержать приблизительно равное ко­личество камер.

Продувка инертных при­месей может осуществляться непрерывно или периодиче­ски. Выбор режима продув­ки определяется главным об­разом чистотой исходною газа. Для грязных газов, на­пример воздуха, целесооб­разна непрерывная продув­ка. Продувка методом про­мывки по своей технологии может быть только периоди­ческой. В общем случае периодическая продувка эффек­тивнее, так как она осуществляется в короткие проме­жутки времени и соответственно с высокими скоростями газа, и экономичнее, так как при одинаковом содержа­нии примесей в продувочном газе концентрация приме­сей в ТЭ при периодической продувке в межпродувочный период выше, чем при непрерывной продувке (рис. 5.34).

Режим продувки может также диктоваться техни­ческими требованиями к ЭХГ, напри. мер ограничивать­ся производительностью системы утилизации продувоч­ных газов установок, не имеющих связи с атмосферой.

Расчет режима продувки сводится к определению необходимого расхода продувочного газа, обеспечивающего заданный коэффициент продувки или заданную концентрацию примесей в продувочном газе. Для периодической продувки в зависимости от графика нагрузки, чистоты исходного газа и конструкции батареи определяется необ­ходимая частота продувки. Процесс продувки поддается оптимиза-

Іции. Расход газа на продувку влияет на КПД по току Ц/ и на КПД по напряжению гщ.

С увеличением расхода растет напряжение и соответственно чи, но одновременно падает г)/, так как снижается коэффициент использования реагентов, и наоборот, с уменьшением продувки рас­тет її/ и падает Ни-

Коэффициент полезного дей­ствия по току может быть выра­жен отношением количества элек­трохимически прореагировавшего газа к количеству чистого газа, поданного в ЭХГ,

_______ L

^ + —^пр)

__ Qip

_ Сп,(1 -С„Г

Зависимость напряжения ТЭ от концентрации примесей при раз­личных электрических нагрузках определяется экспериментально.

Коэффициент полезного действия ЭХГ, определяемый формулой 1 (2.7), после подстановки выражений хи и г)j и учета формулы (2.5)

можно выразить в виде

U С Qip С0

£ф СПр(1 С»)

Оптимальная продувка соответствует dr]r/dCnp=0.

Таким образом, может быть определена оптимальная концен*. трация примесей в продувочном газе (или оптимальный коэффи­циент продувки), при которых КПД ЭХГ максимален.

В оптимальной точке выполняется условие

дЦд __ Vo__

^QcM/fcconst Qcx ’

Uc—f(Qсм) определяется экспериментально.

Вышеприведенное условие означает, что касательная к кривой Uc=f(QcM), проходящая через начало координат, касается кривой в оптимальной точке (рис. 5.35).

5.6. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОКОВ УТЕЧКИ

Токи утечки определяются схемой построения ЭХГ, в первую очередь 'компоіновкой системы электролитных полостей.

Генеріаторьі с общей для всех ТЭ системой электро­лита, объединяющей входящие в нее ТЭ, обладают ря­дом существенных преимуществ по сравнению с систе­мой с разобщенным по отдельным ТЭ электролитом — простота эксплуатации, единая система контроля за со­стоянием электролита, выравнивание давления, темпера - 18—93 273

туры и концентрации электролита в ТЭ ЭХГ при пе­ременных условиях тепломассообмена.

В некоторых вариантах ЭХГ общая электролитная система используется для обеспечения термостатирова - ния и отвода продуктов реакции. Однако при постро­ении ЭХГ с общей системой электролита необходимо учитывать проблему токов утечки по электролитным

каналам, сообщающим электрически последовательно соединенные ТЭ. Возникновение токов утечки-связано с рядом отрицательных последствий — снижение КПД ЭХГ, выделение электролизных газов, коррозия мате­риалов электролитной системы, неравномерная 'нагруз­ка отдельных ТЭ и неравномерная нагрузка отдельных электродов по іих 'поверхности. Наличяе шунтирующих

электролитных цепей может запуска и хранения ЭХГ.

Рис. 5.39. Токи утечки в радиальных
электролитных каналах батареи ТЭ.

На рис. 5.36 представлена схема токов утечки в батарее, состоящей из ТЭ, последова­тельно соединенных электриче­ски и параллельно соединен­ных по электролиту (на схе­ме показан только один электролитный коллек­тор). Экспериментально полученная картина распре­деления токов утечки по ТЭ такой батареи пред­ставлена на рис. 5.37. Токи утечки измерены в межэле­ментной коммутации батареи при отсутствии внешней нагрузки. Соответственно напряжение холостого хода и токи утечки в радиальных электролитных каналах распределяются по схемам на рис. 5.38 и 5.39.

Точен утечки в ТЭ (осевые токи) максимальны в центральных ТЭ батареи, напряжение холостого хода ТЭ в соответствии с этим снижается в направлении к центру батареи, а токи в радиальных электролитных каналах максимальны в крайних ТЭ.

Рассчитаем токи утечки в батарее из п последовательно элек­трически соединенных ТЭ (см. рис. 5.36), представив ее эквивалент­ной схемой (рис. 5,40). Допущения при составлении эквивалентной схемы:

1) напряжение всех ТЭ одинаково (ТЭ имеют идентичные ВАХ и одинаковые размеры);

2) напряжение ТЭ не зависит от тока утечки (этот случай пред­ставляет практический интерес);

3) электролитные трубки ТЭ одинаковы, а ТЭ равномерно рас­пределены по длине электролитного коллектора.

Обозначения: Е0 — ЭДС ТЭ; г — сопротивление участка кол­лектора между двумя электролитными трубками ТЭ; R — сопро­тивление трубки ТЭ.

г г г - г - г Рис. 5.40. Эквивалентная электрическая схема утечек тока в бата­рее ТЭ.

Для нахождения токов в радиальных каналах составим систе­му уравнений для 1{ 1п на основании законов Кирхгофа.

Для нечетного количества ТЭ в цепи эта система имеет вид

/ п—1 (п—1 . п — 1 „

f К 2 r j + 2 ^ J г + • • • + 1 п— г ~ 2 Е'

Ir + ^2Г + 1 Д - Г) =

2 3

Введя отношение r/R = t, получим

/ п—* N, 1п—* , и—■

Л (l+— t) + h (—2-- »+ f = —

lt-¥ ht? •' ••• + In—і (1 + 0— •

+ . 2

Решая эту систему из (л— 1)/2 линейных уравнений с неизвест­ными 7, /п_| , получаем значение для токов утечки в радиаль-

2

канала; Д является явной функцией отношения r/R=t и неявной функцией общего количества элементов в рассматриваемом соеди­нении. Аналогичный результат получается для четного п.

Практические значения имеют токи 1—максимальный ради­альный ток и 7ср — максимальный ток в среднем ТЭ,

п— 1 2

^ср = Л + 1г + + 1п— = fk(0=-^- ?(0’ 5

~ fcsI

где ф(0 —функция отношения t=r/R и п.

Для удобства расчетов ср (і) и f(t) для различных п изобра­жаются в виде диаграмм или таблично.

При r<t^R и я=277—{—1, т. е. N=(ti—1)/2 (для нечетного л),

N

г Е Уг £ я2—1

ср— Я Я 8

к=

или для любого п получаем зависимость 7ср от л в явном виде

Е пг

ІСР ~ - д-.

Величина 7ср позволяет определить потери, связанные с утеч­ками тока для наиболее нагруженного утечками элемента.

Радиальные токи, ответвляющиеся в электролитные каналы отдельных ТЭ, распространяются к центру электродов на некоторую

глубину, зависящую от отношения сопротивления электролита меж­ду электродами и поляризационного сопротивления электродов. При значительных токах утечки часть поверхности электродов может быть переполюсована.

Для снижения токов утечки и предотвращения от­дельных связанных с ними нежелательных процессов может быть использован ряд мероприятий. Одним из них является выполнение генератора из нескольких от­носительно низковольтных блоков с автономной элект­ролитной системой. Этот метод особенно пригоден в применении к установкам большой мощности, блоч­ное исполнение которых определяется независимо от проблемы утечек тока и связывается с возможностями технологии, необходимостью резервирования и т. д. Уменьшение утечки достигается также изменением гео­метрии электролитной системы с увеличенным сопро­тивлением каналов. Каналы целесообразно выполнять из диэлектрических материалов или покрывать ими ме­таллические части, соприкасающиеся с электролитом. Если в электролитном контуре такие участки остаются, то для предотвращения электролиза на них соотноше­ние сопротивления электролитного контура и сопротив­ления электролита на металлическом участке должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем не до­стигало напряжения разложения воды. Предложены также различные устройства для разрыва потока элек­тролита с помощью капельниц, газовых пузырей, спе­циально вводимых в электролитные каналы, и т. и.

Генераторы с контуром принудительной циркуляции электролита, осуществляемой электроприводным насо­сом, поддаются оптимизации. Размеры электролитных каналов определяют их омическое и гидравлическое со­противления и соответственно потери энергии, связан­ные с утечками дока и работой насоса. Минимуму сум­мы этих потерь энергии соответствует оптимальная конструкция электролитного контура.