СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА С ЖИДКИМ ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ Российский патент 1995 года по МПК H01M8/04 

Изобретение относится к химическим источникам тока и касается эксплуатации электрохимических генераторов (ЭХГ) с жидким щелочным электролитом.

При длительной эксплуатации ЭХГ необходимо поддерживать баланс воды, так как разбавление электролита приводит к снижению электрических параметров генератора.

Известны способы регулирования концентрации щелочи в заданном интервале по объему электролита в контуре. По способу [1] это регулирование осуществляют изменением температуры циркулирующего электролита, а по способу [2] изменением количества реагента, продуваемого через систему водоотвода. Недостатки этих способов заключаются в низком коэффициенте использования реагентов и невысокой стабильности напряжения при длительной эксплуатации ЭХГ.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемым результатам является способ, согласно которому концентрацию щелочи регулируют по изменению объема электролита между верхним и нижним уровнями, повышая концентрацию при снижении напряжения ЭХГ до установленного допустимого предела [3] Этот способ улучшает эксплуатационные характеристики, обеспечивая положительный эффект при работе генератора на постоянную нагрузку.

Недостаток способа проявляется при эксплуатации ЭХГ в переменном токовом режиме, именно в таком режиме работает на практике большинство генераторов. Каждой нагрузке соответствует свое определенное напряжение генератора, при этом влияние нагрузки на величину напряжения является более сильным, чем влияние других условий эксплуатации. В этой ситуации величина напряжения не может играть роль фактора, воздействующего на регулирование концентрации электролита. Между тем имеющийся практический опыт показывает необходимость изменения параметров ЭХГ при изменении условий работы; в частности, определенной токовой нагрузке соответствует оптимальная концентрация электролита. При несоблюдении этого снижается отдаваемая ЭХГ полезная энергия, уменьшается коэффициент использования реагентов, это является недостатком прототипа.

Целью изобретения является повышение полезной энергии, отдаваемой ЭХГ в течение срока его службы, и увеличение коэффициента использования реагентов.

Для этого при способе эксплуатации ЭХГ с жидким щелочным электролитом, включающем регулирование концентрации электролита по изменению его объема между уровнями, предлагается при работе генератора на переменную токовую нагрузку устанавливать такую концентрацию электролита, при которой выдерживается соотношение M, где I ток генератора, А; n число последовательно соединенных ТЭ; V объем электролита между уровнями, см³; τ время изменения объема от верхнего уровня до нижнего, мин; М экспериментально определенный коэффициент (параметр, критерий), имеющий значение 150-400.

Как показали многочисленные экспериментальные исследования, именно указанный критерий и его численный диапазон определяют оптимальное сочетание тока нагрузки и концентрации электролита, что позволяет повысить полезную энергию, отдаваемую ЭХГ в течение срока его эксплуатации, и увеличить коэффициент использования реагентов. Если значение критерия М меньше 150, то это означает, что концентрация щелочи мала для данной нагрузки, а значит и напряжение является низким; при этом снижается как коэффициент использования реагентов, так и общая отдаваемая генератором энергия. Если значение критерия М больше 400, то концентрация щелочи выше оптимальной. Это снижает ресурс работы изделия и, соответственно, уменьшает количество отдаваемой им полезной энергии.

Использование предложенного критерия основано на том, что он увязывает между собой нагрузочные, температурные и концентрационные условия эксплуатации генератора. Комплекс этих условий проявляется через соотношение скоростей отвода и образования продукта реакции воды. Критерий М является отражением процессов водообразования и водоотвода, а интервал его численных значений определяет соотношение рабочих параметров для обеспечения оптимальных условий эксплуатации.

При эксплуатации ЭХГ с жидким щелочным электролитом устанавливают величину концентрации щелочи в зависимости от токовой нагрузки на генератор, руководствуясь при этом скоростью уменьшения объема электролита в контуре; для определения оптимальной величины этой скорости предложен критерий, в соответствии с которым по времени снижения уровня электролита от верхнего уровня до нижнего оценивают величину концентрации и при необходимости корректируют ее. При использовании способа повышается коэффициент использования реагентов и полезной энергии, отдаваемой в течение срока службы изделия.

Предлагаемый способ включает следующие операции: заправка ЭХГ электролитом, подача реагентов, запуск в работу, подключение к нагрузке, определение времени снижения электролита от верхнего уровня до нижнего, вычисление критерия М по предложенному соотношению; если критерий М ниже 150, увеличивают концентрацию щелочи, если выше 400 то снижают; увеличение концентрации можно производить путем долива щелочи в контур из внешней емкости, а уменьшение удалением части электролита из контура в эту емкость; при каждом изменении нагрузки определяют критерий М и при необходимости корректируют концентрацию.

П р и м е р. ЭХГ включает батарею из 10 ТЭ, активная площадь каждого составляет 5000 см², электролитный контур ЭХГ содержит компенсатор, объем которого V между верхним и нижним уровнями составляет 900 см³. Контур заправляют электролитом, представляющим 30%-ный водный раствор КОН. ЭХГ вводят в действие, устанавливают номинальную нагрузку 350 А (плотность тока 70 мА/см²), замеряют время изменения объема электролита между верхним и нижним уровнями τ 65 мин. Вычисляют М 253. Работают в течение 36 ч. Затем включается нагрузка 800 А (160 мА/см²), измеряют τ 15 мин; вычисляют М 133. Увеличивают концентрацию электролита путем подачи раствора гидроокиси в электролитный контур, снова замеряют τ 32 мин; вычисляют М 283. Работают в течение 8 ч, затем нагрузка снижается до 200 А; замеряют τ 210 мин, вычисляют М 467. Снижают концентрацию путем слива электролита из контура во внешнюю емкость, замеряют τ 150 мин, вычисляют М 333 работают в этом режиме 48 ч.

Использование изобретения позволило на 5-10% повысить полезную энергию, отдаваемую ЭХГ в течение срока службы, и на 3-5% увеличить коэффициент использования реагентов.

Использование: эксплуатация электрохимических генераторов /ЭХГ/ с жидким щелочным электролитом при работе на переменную нагрузку. Сущность изобретения: при эксплуатации генераторов, концентрация электролита которых регулируется по изменению объема электролита между уровнями, вычисляют критерий где I - ток нагрузки, А; n - число топливных элементов; τ - время снижения от верхнего уровня до нижнего, мин; V - объем между уровнями, см. Если M ниже 150, то концентрацию повышают, если выше 400, то понижают.

СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА С ЖИДКИМ ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ, включающий регулирование концентрации электролита по изменению его объема между уровнями, отличающийся тем, что при работе генератора на переменную токовую нагрузку устанавливают конценрацию электролита, при которой выдерживается соотношение

где I ток генератора, А;
n число последовательно соединенных топливных элементов;
τ время снижения объема электролита от верхнего уровня до нижнего, мин;
V объем электролита между верхним и нижним уровнями, см³;
М экспериментально определенный критерий, М 150 400.