Использование ПТЭ цинк-воздух или алюминий-воздух и ТАБ или ЭМБ

За последние 2-3 года появилась информация о создании в России, США и некоторых других странах энергетических установок автомобилей с использованием некоторых полутопливных элементов и ТАБ или ЭМБ. В США был создан образец КЭУ с использованием ПТЭ типа цинк-воздух и ЭМБ для легкового автомобиля (рис. 4.4). Замена топлива (цинка) производилась посредством периодической замены отработавшего электролита, причем частицы цинка вводятся в свежий электролит (КОН). В установке используются металлический цинк и атмосферный кислород, а продуктом реализации являются растворенные калийные соли цинка и водный раствор окислов цинка.

Рис. 4.4. Схема подачи частиц цинка и электролита в ПТЭ типа цинк-воздух

В установке частицы цинка размером 1 мм собираются в группы, из которых они под действием силы тяжести оседают в индивидуальных элементах, где полностью используются во время разряда. Эта установка приблизительно в 5 раз легче и в 3 раза меньше по объему, чем свинцово-кислотная батарея с тем же самым запасом энергии.

Частицы цинка постоянно опускаются из находящейся сверху «кучи» в узкое (менее 3 мм) отверстие в верхней части каждого элемента. Поскольку щель в элементе только в несколько раз больше, чем частицы, последние не слипаются слишком плотно, даже при сильной вибрации. Частицы, формирующиеся в мостики, обусловливают развитие структуры, которая создает плотность размещения частиц порядка 40 %. Электролит медленно прокачивается вверх через элементы и через «кучу» (рис. 4.4), чтобы отвести тепло к продуктам реакции. Воздух нагнетается со стороны большой стенки элемента, где он проникает через воздушный электрод, чтобы принять участие в реакции, завершающейся выработкой энергии.

Очистка металлического цинка от отработанного электролита достигается посредством комбинированного электрохимического и механического процесса. В результате осуществляется регенерация цинка. Отметим, что в рабочем цикле топливного элемента цинк-воздух отсутствуют токсические материалы; только концентрированный КОН крайне активен в коррозионном отношении. Созданная на основе изложенной концепции установка имеет запас энергии 76 кВт∙ч и мощность 40 кВт.

Основу ЭХГ типа воздух-алюминий составляют ПТЭ, теоретическая удельная энергоемкость которых (по алюминию) превышает 8000 Вт∙ч/кг. Реально достигнутые значения составляют 180-250 Вт∙ч/кг, поскольку большую часть полной массы ЭХГ составляют вспомогательные системы обеспечения работы ПТЭ.

Полутопливный элемент (рис. 4.5) состоит из двух пористых положительных (1) электродов (угольно-тефлоновых с катализатором 5) и отрицательного алюминиевого электрода (2), разделенных между собой электролитом и сепаратором (4) и соединенных через внешнюю нагрузку (3).

Рис. 4.5. Схема ПТЭ типа алюминий-воздух:

1 − положительный электрод; 2 − отрицательный электрод;

3 − внешняя нагрузка; 4 − электролит; 5 − катализатор

Работа элементов ЭХГ основана на реакциях трёх типов: окисления алюминия, восстановления (связывания) кислорода и реакции коррозии алюминия. В ходе двух первых выделяется полезная энергия движения электронов, реализуемая на внешнюю нагрузку, и теплота; в ходе третьей − теплота. И ту, идругую теплоту можно использовать для саморазогрева генератора (его рабочая температура 60 °С), а при необходимости − для обогрева автомобиля. Продуктом всех реакций является гидроксид алюминия. Он выпадает в осадок в виде тонкодисперсного порошка, который может найти применение в химической, стекольной и других отраслях промышленности. Однако в случае весьма широкого использования ПТЭ воздух-алюминий необходимо будет прибегнуть к регенерации алюминия по технологии его производства.

ПТЭ при его установке на автомобиле должен иметь системы технического и технологического обеспечения (терморегулирование, циркуляция электролита и отвод теплоты из зоны реакции, очистка и подача воздуха в батареи элементов под избыточным давлением, управление генератором при его работе, пуске и останове и т.д.). Образцы ЭХГ этого типа уже созданы. Их испытания показывают, что в условиях эксплуатации длительность процесса замены алюминиевых электродов составляет
25-30 мин. Восстанавливать электролит и удалять продукты электрохимических реакций нужно ежедневно, в конце рабочей смены. В дальнейшем периодичность восстановления электролита и удаления продуктов реакций может быть доведена ориентировочно до одного раза в неделю.

При использовании в качестве основного источника ПТЭ, например алюминий-воздух, потребуется создание автомобильной энергетики нового вида, предусматривающей регенерацию алюминия из гидроксида алюминия. Электроэнергия, затраченная при производстве алюминия, будет выделяться в транспортном энергетическом цикле с образованием гидроксида алюминия. При переработке последнего в алюминий вновь будет затрачена электроэнергия.

В качестве источников пиковой энергии могут быть использованы ТАБ, ЭМБ и ЕН - емкостные накопители.

Хорошие перспективы применения на автомобилях, по-видимому, будут у ТЭ водород-воздух с получением водорода из метанола или бензина в бортовой установке автомобиля.