vodyanogo para. V itoge formiruetsya plazmohimicheskij cikl, v kotorom tratitsya tol'ko voda, a uglekislyj gaz postoyanno vozvrashchaetsya v process. Proizvoditel'nost' takoj plazmohimicheskoj sistemy v desyatki tysyach raz prevzojdet effektivnost' elektrolizerov, stoimost' zhe vodoroda okazhetsya primerno takoj zhe, kak i pri elektrolize. |to, konechno, eshche dorogo. Segodnya prakticheski ves' vodorod, potreblyaemyj promyshlennost'yu, proizvoditsya za schet pererabotki prirodnogo gaza. V takih ustanovkah vmesto odnogo energonositelya poluchaem drugoj i ispol'zuem ego ne dlya nuzhd energetiki, a dlya tehnologii. Takaya shema vyglyadit ushcherbno. Poetomu issledovali takoj obnadezhivayushchij istochnik vodoroda, kak serovodorod, soputstvuyushchij, v chastnosti, obychnym, prezhde vsego, glubinnym mestorozhdeniyam prirodnogo gaza. Mnogie bedy v rajonah gazonosnyh mestorozhdenij svyazany s vybrosami serovodoroda ili produktov ego pererabotki v atmosferu. Sejchas v promyshlennosti v luchshem sluchae serovodorod okislyayut kislorodom vozduha po metodu Klaussa, razrabotannomu eshche v proshlom veke, i poluchayut pri etom seru, a vodorod svyazyvaetsya s kislorodom. Nedostatok etogo, kstati, ves'ma dorogostoyashchego processa ocheviden: iz serovodoroda izvlekayut tol'ko seru, a vodorod perehodit v vodu. Poetomu provodilis' eksperimenty po dissociacii serovodoroda v plazme, chtoby na odnoj stadii poluchat' dva produkta: vodorod i kondensirovannuyu seru. Dlya etogo serovodorodnuyu plazmu zastavlyayut vrashchat'sya s okolozvukovoj skorost'yu. Obrazuyushchiesya v plazmotrone chasticy sery vynosyatsya pri etom iz ob容ma reakcii za vremya, nedostatochnoe dlya osushchestvleniya obratnoj reakcii. Centrobezhnyj effekt pozvolyaet dobit'sya znachitel'nogo otkloneniya plazmohimicheskoj sistemy ot termodinamicheskogo ravnovesiya i snizit' energozatraty na poluchenie kubometra vodoroda do desyatkov vatt. Takoj vodorod okazyvaetsya deshevle elektroliznogo primerno v 15 raz, i ego uzhe mozhno shiroko ispol'zovat' v energetike i v promyshlennosti. My davno nahodimsya na perelomnom rubezhe. Vsem yasno, chto nazreli izmeneniya tradicionnoj energeticheskoj struktury v kotoroj glavenstvovali neft' i ugol'. Segodnya naibolee perspektivnym yavlyaetsya prirodnyj gaz, no ego shirokoe ispol'zovanie svyazano s problemami ekologii. V obozrimom budushchem vodorod mozhet pridat' energetike bezopasnost' i ekologicheskuyu chistotu. Glava 2 HIMICHESKIE ISTOchNIKI TOKA Pervym istochnikom toka, posle izobreteniya elektrofornoj mashiny, byl element Vol'ta nazvannyj v chest' svoego sozdatelya. Ital'yanskij fizik A. Vol'ta ob座asnil prichinu gal'vanicheskogo effekta, otkrytogo ego sootechestvennikom L. Gal'vani. V marte 1800 g. on soobshchil o sozdanii ustrojstva, nazvannogo v posledstvii "vol'tov stolb". Tak nachalas' era elektrichestva podarivshaya miru svet, teplo i opasnost' porazheniya elektricheskim tokom. Imenno gal'vanicheskie (pervichnye) elementy pozvolili nachat' izuchenie elektrichestva. V pervoj polovine HIH veka oni yavlyalis' edinstvennymi istochnikami elektricheskoj energii. Do ih poyavleniya byli izvestny tol'ko zakony elektrostatiki, ne sushchestvovalo ponyatiya elektricheskogo toka i ego proyavlenij. Uzhe v mae 1800 g. A. Karlejl' i U. Nikolson osushchestvili elektroliz vody. V 1803 g. byli otkryty processy elektroosazhdeniya metallov. V 1807 g. -- elektroliz rasplavov solej. Dal'nejshaya hronologiya otkrytij: 1819 g. -- magnitnoe dejstvie toka -- H. |rsted; 1820 g. -- vzaimodejstvie provodnikov s tokom -- A. Amper; 1827 g. -- zakon Oma -- G. Om; 1831 g. -- zakon elektromagnitnoj indukcii -- M. Faradej; 1834 g. -- sozdanie pervogo elektrodvigatelya -- B. YAkobi; 1839 g. -- sozdanie pervogo toplivnogo elementa -- U. Grov; 1843 g. -- opisano teplovoe dejstvie toka -- Dzh. Dzhoul'; 1859 g. -- pervyj dejstvuyushchij kislotnyj svincovyj akkumulyator -- G. Plante; 1860 g. -- pervyj effektivnyj generator -- F. Hefner-Al'tenek [5]. V 1881 godu na beregah Seny poyavilsya pervyj elektromobil'. V nem ispol'zovalis' kislotnye akkumulyatory. Tol'ko cherez 4 goda poyavitsya pervyj avtomobil' Dajmlera i Benca s dvigatelem vnutrennego sgoraniya. Imenno na elektromobile v 1899 godu dostignut fantasticheskij dlya togo vremeni rekord skorosti -- 100 km/chas. Posle sozdaniya principial'no novogo istochnika elektricheskoj energii -- elektromagnitnogo generatora -- himicheskie istochniki toka poteryali svoe pervostepennoe znachenie. Generatory prevzoshli svoih predshestvennikov po ekonomicheskim i tehnicheskim parametram, no HIT prodolzhali sovershenstvovat'sya i razvivat'sya kak avtonomnye istochniki dlya sredstv svyazi. Himicheskimi istochnikami toka nazyvayutsya ustrojstva, v kotoryh svobodnaya energiya prostranstvenno razdelennogo okislitel'no-vosstanovitel'nogo processa, protekayushchego mezhdu aktivnymi veshchestvami, prevrashchaetsya v elektricheskuyu energiyu. Novym tolchkom k sovershenstvovaniyu HIT v nachale HH veka posluzhilo razvitie radiotehniki i avtomobil'noj promyshlennosti. Pervichnye elementy i akkumulyatory yavlyalis' edinstvennymi istochnikami pitaniya dlya sredstv svyazi, a dlya avtomobilej potrebovalis' starternye akkumulyatory. Rezkomu uluchsheniyu harakteristik HIT takzhe sposobstvovalo razvitie voennoj tehniki. Poyavlenie novyh raznovidnostej istochnikov toka posle vtoroj mirovoj vojny svyazano s rabotami v oblasti aviacionnoj i kosmicheskoj tehniki. Bol'shoe rasprostranenie HIT obuslovleno neizmennoj effektivnost'yu ne zavisyashchej ot elektricheskoj moshchnosti i uslovij ekspluatacii. Ni odin tip istochnikov elektricheskoj energii ne obladaet takoj universal'nost'yu. Primechatelen tot fakt, chto pri odnovremennom vklyuchenii vseh HIT, nahodyashchihsya v ekspluatacii, mozhno poluchit' mgnovennuyu elektricheskuyu moshchnost' soizmerimuyu s summarnoj moshchnost'yu vseh elektrostancij mira [6]. Sovremennoe proizvodstvo HIT yavlyaetsya samostoyatel'noj otrasl'yu elektrotehnicheskoj promyshlennosti. Avtomatizaciya izgotovleniya istochnikov toka yavilas' odnoj iz prichin ih vypuska v ogromnyh kolichestvah s vysokimi udel'nymi harakteristikami. Utilizaciya otrabotavshih srok sluzhby HIT vyzvala opredelennye ekologicheskie problemy. V proizvodstve HIT ispol'zuyutsya rtut', kadmij, sur'ma i drugie toksichnye himicheskie elementy. Sbor i pererabotka bol'shogo kolichestva istochnikov toka zatrudnitel'na. |to posluzhilo prichinoj dlya poiska novyh materialov i razrabotki istochnikov toka svobodnyh ot toksichnyh elementov. Horosho izvestnye gal'vanicheskie elementy i akkumulyatory soderzhat ogranichennoe kolichestvo reagentov i sposobny v odnom cikle "proizvesti" lish' fiksirovannuyu porciyu energii. Odnako, est' tretij tip HIT, v kotorom okislitel' i vosstanovitel' nepreryvno podayutsya, sootvetstvenno, k katodu i anodu, a material samih elektrodov v reakciyah ne uchastvuet. Takie ustrojstva nazyvayutsya toplivnymi elementami (T|) (sm. gl. 2.5). Pervoe prakticheskoe primenenie "novyj" himicheskij istochnik toka nashel v kosmose, nesmotrya na to, chto byl otkryt bolee 150 let nazad. Toplivnyj element obladaet naivysshimi udel'nymi harakteristikami i KPD. V nem net peremeshchayushchihsya detalej, on besshumen i krome elektroenergii vyrabatyvaet teplo. Toplivnyj element -- obratimoe ustrojstvo, s pomoshch'yu kotorogo mozhno vyrabatyvat' toplivo (razlagat' vodu na kislorod i vodorod), t.o. on mozhet vypolnyat' rol' akkumulyatora. Prakticheskoe ispol'zovanie toplivnyh elementov nachalos' v 60-h godah s ih ispol'zovaniya na bortu kosmicheskih korablej. Amerikanskaya korporaciya United Technology zatratila na razrabotku T| po proektu "Apollo" okolo 100 mln. dollarov (moshchnost' sozdannoj bortovoj ustanovki -- 2,5 kVt). V 1977 godu ta zhe korporaciya izgotovila i ispytala ustanovku megavattnoj moshchnosti, a v nachale 80-h godov v N'yu-Jorke byla smontirovana elektrostanciya na 4,5 MVt dlya shirokomasshtabnoj demonstracii preimushchestv "novogo" sposoba polucheniya elektroenergii. My yavlyaemsya svidetelyami pervyh shagov kommercheskogo ispol'zovaniya T|. Ot laboratornyh issledovanij do shirokogo vnedreniya v energetike prohodit okolo poluveka. Kriteriem shirokogo ispol'zovaniya mozhno schitat' moment, kogda novye energoustanovki dostignut 10-procentnoj doli v obshchej moshchnosti otrasli. Istoriya razvitiya energeticheskih ustanovok v bol'shoj energetike pozvolyaet ocenit' prognoziruemye sroki vnedreniya T|. Toplivnyj element -- sverstnik parovoj turbiny. Laboratornye issledovaniya parovyh turbin nachalis' v 70-h godah proshlogo veka, ih eksperimental'nye obrazcy voznikli v pervoj polovine 80-h godov, demonstracionnaya model' sozdana v 1890 godu, pervaya promyshlennaya paroturbinnaya ustanovka -- v 1895-m, a 10-procentnuyu dolyu v obshchej moshchnosti elektrostancij turbiny obespechili v 1910 godu [2]. V atomnoj energetike laboratornye issledovaniya velis' v 30-h godah, eksperimental'naya ustanovka byla sozdana v 1941 godu, demonstracionnaya -- v 1953-m, pervaya promyshlennaya atomnaya elektrostanciya -- v 1955-m, i lish' v 1978 godu dolya atomnyh elektrostancij v energetike SSSR dostigla 10%. Primerom sovremennogo marketinga v energetike sluzhit deyatel'nost' korporacij po zavoevaniyu desyatiprocentnoj doli rynka. V nastoyashchee vremya amerikanskaya korporaciya H Power Corp. issleduet, proektiruet, i proizvodit T|. Electro-Chem-Technic i Warsitz (SSHA) proizvodyat i prodayut po nizkoj cene nebol'shie T|, glavnym obrazom, dlya shkol, kolledzhej i universitetov. Cel' sostoit v tom, chtoby sdelat' shiroko izvestnymi preimushchestva osnovnyh principov T|. |nergeticheskaya kompaniya Brooklyn Union (Kanada) provodit ispytaniya ustanovochnoj partii T| moshchnost'yu 200 kVt. 2.1. STACIONARNYE AKKUMULYATORY Sovremennaya tehnika raspolagaet celym ryadom elektronakopitel'nyh ustrojstv. |to -- svincovye, zhelezo-nikelevye, nikel'-kadmievye, serebryano-cinkovye, serno-natrievye, medno-litievye i drugie tipy akkumulyatorov. Naibolee rasprostranennymi yavlyayutsya svincovye akkumulyatory. Akkumulyatorami nazyvayutsya himicheskie istochniki toka, prednaznachennye dlya mnogokratnogo ispol'zovaniya ih aktivnyh veshchestv, regeneriruemyh putem zaryada. Akkumulyatory yavlyayutsya himicheskimi istochnikami elektricheskoj energii mnogorazovogo dejstviya. Oni sostoyat iz dvuh elektrodov (polozhitel'nogo i otricatel'nogo), elektrolita i korpusa. Nakoplenie energii v akkumulyatore proishodit pri protekanii himicheskoj reakcii okisleniya-vosstanovleniya elektrodov. Pri razryade akkumulyatora proishodyat obratnye processy. |konomichnee svincovogo akkumulyatora do sih por nichego ne izobreteno. SHirokoe rasprostranenie oni poluchili blagodarya vysokoj nadezhnosti i nevysokoj cene. |ksperty OON schitayut, chto v obozrimom budushchem svincovye akkumulyatory sohranyat svoe znachenie kak odnih iz samyh udobnyh istochnikov elektricheskoj energii. Osnovnym dostoinstvom svincovyh akkumulyatorov yavlyaetsya stabil'nost' napryazheniya pri izmenenii toka nagruzki i temperatury. Napryazhenie akkumulyatora -- eto raznost' potencialov mezhdu polyusami pri fiksirovannoj nagruzke. V zavisimosti ot elektrohimicheskoj sistemy napryazhenie na zazhimah akkumulyatora sostavlyaet ot 1,2 do 2 V. Bytuet oshibochnoe mnenie, chto osnovnoj sferoj ispol'zovaniya svinca yavlyaetsya proizvodstvo boepripasov. Ezhegodno tol'ko na svincovye akkumulyatory rashoduetsya nemnogim men'she poloviny dobyvaemogo v mire svinca. Pervyj rabotosposobnyj svincovo-kislotnyj akkumulyator byl sozdan francuzskim issledovatelem G. Plante (v 1859 g.). |lektrody pervogo akkumulyatora byli izgotovleny iz listovogo svinca, a separatorom sluzhilo polotno. Vsya konstrukciya svorachivalas' v spiral' i vstavlyalas' v emkost' s 10% rastvorom sernoj kisloty. Dlya uvelicheniya emkosti takogo akkumulyatora provodili mnogokratnye cikly zaryada-razryada, chem formirovali razvituyu poverhnost' plastin. Dlya takoj trenirovki trebovalos' ot 1000 chasov do dvuh let. V posledstvii poverhnostnye plastiny formirovalis' gal'vanicheskim sposobom. Edinstvennymi istochnikami energii v to vremya byli pervichnye elementy. Ot nih (v osnovnom eto byli elementy Bunzena) osushchestvlyalsya zaryad akkumulyatorov. Zaryadom akkumulyatora nazyvaetsya prevrashchenie elektricheskoj energii v himicheskuyu, a razryadom -- himicheskoj v elektricheskuyu. Process razryada -- yavlenie obratnoe zaryadu, kogda sam akkumulyator otdaet svoj zaryad vo vneshnyuyu elektricheskuyu cep' potrebitelyu elektroenergii. Znachitel'no uvelichit' emkost' elektrodov udalos' v 1880 g. K. For stal izgotavlivat' namaznye elektrody naneseniem na poverhnost' plastin okislov svinca. Uzhe v 1881 godu |. Fol'kmar predlozhil namaznuyu reshetku v kachestve elektrodov. V tom zhe godu Sellonu byl vydan patent soglasno kotoromu reshetki Fol'kmara predlagalos' izgotavlivat' iz splava sur'my i svinca. Uskoreniyu rabot po sovershenstvovaniyu svincovogo akkumulyatora sposobstvovalo izobretenie |disonom lampy nakalivaniya. V 1881 godu po Sene hodila lodka s elektricheskim dvigatelem i batareej akkumulyatorov Plante. V tom zhe godu sozdan elektromobil'. Togda zhe poyavilis' deshevye generatory, pozvolivshie nachat' kommercheskoe ispol'zovanie akkumulyatorov. V Kronshtadte razrabotki konstrukcii akkumulyatora nachalis' v 1881 g., a uzhe v 1884-m na Neve proshel ispytanie elektricheskij kater. On mog projti 30 mil' pri skorosti do 6 uzlov. K 1890 godu v promyshlenno razvityh stranah svincovo-kislotnye akkumulyatory vypuskalis' serijno. Pervoj patenty Fora, Fol'kmara i Sellona kupila Electrical Power Storage Company. V 1900 godu firma VARTA vypustila starternyj akkumulyator dlya zapuska avtomobil'nogo dvigatelya. VARTA yavlyaetsya postavshchikom zavodov "Mersedes", "Fol'ksvagen", "Audi" i "Opel'". V 1938 godu, Leopol'd Dzhungfer osnoval firmu Baren. Nachinaya s 1939 goda firmoj byli izgotovleny batarei pochti dlya kazhdoj oblasti primeneniya. V 1942 godu v Italii Giulio Dolsetta osnoval firmu FIAMM. FIAMM vypuskaet starternye, tyagovye i stacionarnye akkumulyatory (sm. gl. 2.3). S poyavleniem elektrostancij ponadobilis' moshchnye stacionarnye akkumulyatory. Na stanciyah postoyannogo toka oni sluzhili dopolnitel'nym istochnikom energii v momenty pikovyh nagruzok. Na stanciyah peremennogo toka stacionarnye akkumulyatory ispol'zuyutsya dlya vspomogatel'nyh celej. Tak gorodskie seti postoyannogo toka imeli batarei akkumulyatorov, kotorye razvivali v 1927 godu moshchnost': 80000 kVt -- Berlin, 95000 kVt -- N'yu-Jork. Krome avarijnogo osveshcheniya ih ispol'zuyut dlya sredstv svyazi, v sistemah avtomatiki na zheleznoj doroge, v ustrojstvah ohrannoj i pozharnoj signalizacii i pr. Dlya telefonnyh stancij oni sluzhili edinstvennym istochnikom postoyannogo napryazheniya. Iz bol'shogo raznoobraziya stacionarnyh akkumulyatorov, kotorye obespechivayut pitanie nagruzok na vremya otklyucheniya elektrosnabzheniya, v bol'shej mere ispol'zuyutsya tol'ko svincovye i nikel'-kadmievye akkumulyatory (sm. tabl. P4 prilozheniya). Osnovnye cherty svincovyj akkumulyator priobrel na rubezhe HIH...HH vekov. Vmeste s nimi i problemy, chast' iz kotoryh ne resheny po segodnyashnij den'. Konstrukciya akkumulyatorov nepreryvno sovershenstvuetsya. Oni davno yavlyayutsya ob容ktom pristal'nogo vnimaniya izobretatelej. Kriteriem sostoyaniya otrasli promyshlennosti yavlyayutsya ekonomicheskie pokazateli. Na ris. p001 predstavlen ob容m prodazh starternyh akkumulyatorov mirovymi proizvoditelyami. Nachinaya s 1970 goda vypuskayutsya malouhodnye (trebuyushchie neznachitel'nogo uhoda) i germetizirovannye (neobsluzhivaemye) akkumulyatornye batarei. V takih akkumulyatorah ispol'zuyut elektrody s malym soderzhaniem sur'my -- ne bolee 3%. S ispol'zovaniem sorbirovannogo i geleobraznogo elektrolita udalos' poluchit' germetizirovannyj akkumulyator, kotoryj mozhet rabotat' v lyubom polozhenii. V kachestve zagustitelya elektrolita ispol'zuetsya silikagel', alyumogel', sul'fat kal'ciya i dr. Primerno v eto zhe vremya byli razrabotany takie materialy dlya izgotovleniya plastin, kak medno-kal'cievye splavy pokrytye oksidom svinca, titanovye, alyuminievye i mednye reshetki. Svincovye akkumulyatory izgotavlivayutsya v razlichnyh ispolneniyah v zavisimosti ot oblasti primeneniya. Osnovnye tipy -- starternye, tyagovye i stacionarnye akkumulyatory. Vypuskaemye serijno svincovo-kislotnye akkumulyatory obladayut emkost'yu ot 0,5 do 12000 Ach. Aktivnye veshchestva akkumulyatora zaklyucheny v polozhitel'nom i otricatel'nom elektrodah i elektrolite. Sovokupnost' aktivnyh veshchestv, primenyaemyh v himicheskom istochnike toka, nazyvaetsya elektrohimicheskoj sistemoj. Rasprostranennye elektrohimicheskie sistemy stacionarnyh akkumulyatorov privedeny v tabl. t032 [7]. V akkumulyatorah nahodyashchihsya v ekspluatacii nepreryvno povtoryaetsya posledovatel'nost' elektrohimicheskih preobrazovanij. Period zaryada-razryada akkumulyatora nazyvayut ciklom. S kazhdym ciklom akkumulyatory iznashivayutsya. Dolgovechnost' akkumulyatora ocenivayut kolichestvom ciklov. Dolgovechnost' akkumulyatorov zavisit ot: resursa zalozhennogo v elektrohimicheskuyu sistemu i konstrukciyu akkumulyatora, uslovij vvoda v ekspluataciyu; uslovij ekspluatacii. Naibolee shirokoe primenenie, kak bolee deshevye, poluchili svincovye akkumulyatory. Oni obespechivayut srok sluzhby do 20 let, chto obuslovleno sootvetstvuyushchim konstruktivnym ispolneniem. Pochti vse svincovye akkumulyatory ispol'zuyut tak nazyvaemuyu banochnuyu konstrukciyu. Pri izgotovlenii korpusov ispol'zuyutsya: ebonit, polipropilen, i t.p. |ti materialy stojki k dlitel'nomu vozdejstviyu sernoj kisloty. Blok elektrodov kazhdoj akkumulyatornoj yachejki pomeshchaetsya v izolirovannoj banke. Mezhdu elektrodami ustanavlivayutsya separatory. Krajnimi vsegda yavlyayutsya otricatel'nye elektrody (ris. p070). Gorizontal'nye peremychki, soedinyayushchie odnoimennye plastiny v banke, nazyvayutsya baretkami. Vo vseh malouhodnyh akkumulyatorah plastiny pripodnyaty nad dnom. V obrazuyushchemsya prostranstve skaplivaetsya shlam -- otdelivshayasya ot elektrodov aktivnaya massa. V germetizirovannyh akkumulyatorah vypolnennyh po tehnologii PLT prostranstvo pod plastinami otsutstvuet. Dlya polucheniya dostatochno bol'shih znachenij napryazhenij ili razryadnyh tokov otdel'nye yachejki soedinyayutsya mezhdu soboj posledovatel'no ili parallel'no v batarei. Batareej akkumulyatorov nazyvaetsya istochnik toka, sostoyashchij iz neskol'kih parallel'no ili posledovatel'no soedinennyh akkumulyatornyh yacheek. Akkumulyatory soderzhashchie neskol'ko posledovatel'no soedinennyh banok v odnom korpuse nazyvayutsya monoblochnymi. Vse evropejskie proizvoditeli i bol'shaya chast' v Azii rukovodstvuyutsya standartami DIN. Perechen' standartov po stacionarnym akkumulyatoram priveden v tabl. P3 prilozheniya. Ryad uslovnyh oboznachenij stacionarnyh akkumulyatorov standartizovan. Soglasno DIN VDE 0510 ch. 2 rasshifrovka uslovnyh oboznachenij akkumulyatorov privedena v tabl. t035. Nominal'noj emkost'yu akkumulyatora nazyvaetsya emkost', garantirovannaya zavodom izgotovitelem pri opredelennyh usloviyah razryada. Zaryadnoj emkost'yu nazyvaetsya kolichestvo elektrichestva, soobshchaemoe akkumulyatoru pri zaryade. Zaryadnaya emkost' vsegda neskol'ko bol'she razryadnoj iz-za neobratimyh processov, protekayushchih pri zaryade i razryade. Velichina razryadnoj emkosti akkumulyatora zavisit ot tipa i konstrukcii ispol'zuemyh plastin, kolichestva soderzhashchihsya v nih aktivnyh veshchestv, materiala elektrodov, rezhima razryada i temperatury. Sovershenstvovanie svincovyh akkumulyatorov idet po puti izyskaniya novyh splavov dlya reshetok, oblegchennyh i prochnyh materialov korpusov (sopolimer propilena i etilena) i uluchsheniya kachestva separatorov. 2.1.1. SEPARATORY Vo vseh akkumulyatorah mezhdu elektrodami ustanavlivayutsya izoliruyushchie plastiny. Oni vypolnyayutsya v vide: razdelitelej; poristyh separatorov; membran. Razdeliteli ispol'zuyutsya dlya otdeleniya elektrodov drug ot druga. Oni izgotavlivayutsya v vide prokladok ili reshetok iz perforirovannogo ili gofrirovannogo sinteticheskogo dielektrika (ris. p009). Razdeliteli imeyut otverstiya diametrom ot 1 do 5 mm. Poristye separatory, krome neposredstvennogo razdeleniya plastin, uderzhivayut aktivnuyu massu elektrodov i prepyatstvuyut rostu dendritov (dendrity -- nezavershennye v svoem razvitii kristally, po forme napominayushchie vetvistoe derevo, paporotnik, hvoyu i t.p.) pri zaryade akkumulyatora. V nekotoryh tipah akkumulyatorov poristyj separator uderzhivaet elektrolit za schet kapillyarnyh sil vblizi poverhnosti elektrodov. Diametr por takih separatorov nahoditsya v intervale ot 0,001 do 200 mkm. Takoj vid separatorov imeet naibol'shee rasprostranenie v sovremennyh modelyah akkumulyatorov. Membrany (nabuhayushchie separatory) izgotavlivayutsya iz materialov bez geometricheski chetko vyrazhennoj sistemy por. V otlichie ot poristyh separatorov v nih yarko vyrazheny sily vzaimodejstviya mezhdu opredelennymi vidami ionov i molekul. Separatory izgotavlivayut iz dielektricheskih materialov s rebrami, gofrirovannymi ili tisnenymi dlya preduprezhdeniya plotnogo prileganiya k elektrodam. Razmer separatora vsegda bol'she razmera plastiny akkumulyatora. V pervyh akkumulyatorah v kachestve separatorov ispol'zovalis' keramicheskie sosudy ili peregorodki. Do vtoroj mirovoj v kachestve separatorov ispol'zovalsya shpon (shpon -- tonkij list drevesiny, poluchaemyj lushcheniem kryazhej razlichnyh porod dereva). Dlitel'noe vremya separatory izgotavlivali iz mipora -- vulkanizirovannogo natural'nogo kauchuka s prisadkami. V sovremennyh akkumulyatorah shirokoe primenenie nashel miplast, poluchaemyj spekaniem poroshkoobraznoj polivinilhloridnoj smoly. V Anglii razrabotan material porvik, izgotavlivaemyj iz polivinilhloridnoj smoly. Otechestvennyj analog -- porovinil. YUmikron -- material dlya separatorov razrabotannyj v YAponii -- vypuskaetsya v vide tonkoj plenki ili tisnenyh "vafleobraznyh listov" (ris. p010).Naibolee deshevymi materialami dlya separatorov yavlyayutsya karton i bumaga na osnove cellyulozy i asbesta (asbest [gr. asbestos] -- gruppa mineralov (serpentin, amfiboly) voloknistogo stroeniya; ognestojkij, kislotostojkij, i neelektroprovodnyj material). V kachestve dopolnitel'nyh razdelitelej, v kombinacii s separatorami, primenyayutsya netkannye maty. Oni izgotavlivayutsya iz polipropilena ili steklovolokna s dobavleniem svyazuyushchih veshchestv. V sovremennyh modelyah akkumulyatorov ispol'zuyut mnogoslojnye separatory. Ispol'zovanie neskol'kih sloev odnogo vida separatorov bolee vygodno, tak kak v etom sluchae defekty v odnom iz sloev zashchishcheny drugimi i rost dendritov zatrudnen pri perehode ot sloya k sloyu. Esli v akkumulyatorah ispol'zuyutsya mnogoslojnye separatory iz raznyh materialov, to kazhdyj iz nih vypolnyaet opredelennuyu funkciyu. Tak zhe ispol'zuyutsya sochetaniya prostyh razdelitelej s membranami. V ryade sluchaev v akkumulyatorah ispol'zuyut konverty-separatory. Konvert-separator polnost'yu okruzhaet odin iz elektrodov akkumulyatora dlya ogranicheniya vozmozhnogo proniknoveniya nezhelatel'nyh veshchestv ili rasprostraneniya dendritov v obhod separatora po krayam elektrodov. 2.1.2. |LEKTROLIT V kachestve elektrolita dlya akkumulyatornyh batarej primenyayut rastvor sernoj kisloty v distillirovannoj vode. Dlya razlichnyh klimaticheskih i temperaturnyh uslovij, v kotoryh bataree predstoit rabotat', ispol'zuyut elektrolit razlichnoj plotnosti. Plotnost' elektrolita zavisit ot koncentracii rastvora sernoj kisloty -- chem bol'she koncentraciya rastvora, tem bol'she plotnost' elektrolita i ot temperatury rastvora -- chem vyshe temperatura, tem nizhe plotnost'. Koncentraciya ili plotnost' elektrolita yavlyaetsya tochnym kriteriem stepeni razryazhennosti akkumulyatora. V kachestve tochki otscheta, dlya opredeleniya tekushchej stepeni razryazhennosti akkumulyatora, prinimaetsya normativnaya plotnost' elektrolita, t.e. plotnost', priobretennaya posle pervogo polnogo zaryada. Dlya uravnivaniya plotnosti elektrolita, t.e. dovedeniya ee do plotnosti, ravnoj plotnosti v nachale ekspluatacii, sleduet izmerit' fakticheskuyu plotnost' i temperaturu. Uravnivanie mozhno provodit' tol'ko v polnost'yu zaryazhennom akkumulyatore, kogda elektrolit imeet plotnost', ne iskazhennuyu nedozaryazhennost'yu poslednego. Dlya svincovyh akkumulyatorov harakterno sil'noe razbavlenie elektrolita vo vremya razryada iz-za uchastiya v reakcii sernoj kisloty s obrazovaniem vody. V zaryazhennyh akkumulyatorah koncentraciya kisloty ravna 30...40%. CHem men'she ob容m elektrolita, v sravnenii s massoj elektrodov, tem bystree snizhaetsya koncentraciya kisloty pri razryade. V konce razryada ona sostavlyaet ot 10 do 25%. Mnogie veshchestva, naprimer, neznachitel'noe kolichestvo solej zheleza popadaya v elektrolit uskoryayut vydelenie vodoroda i uvelichivayut samorazryad akkumulyatora. Poetomu pri prigotovlenii elektrolita sleduet ispol'zovat' tol'ko distillirovannuyu vodu i ispol'zovat' nemetallicheskuyu posudu. 2.2. STACIONARNYE AKKUMULYATORY VARTA Primenenie razlichnyh tipov polozhitel'nyh plastin otrazhaetsya na elektricheskih harakteristikah akkumulyatorov. V pervuyu ochered' eto svyazano s vnutrennim soprotivleniem, kotoroe sostoit iz omicheskogo vnutrennego soprotivleniya akkumulyatora i soprotivleniya polyarizacii. Polyarizaciej nazyvaetsya izmenenie elektrodnyh potencialov pod vliyaniem prohozhdeniya postoyannogo toka vyzyvayushchego izmeneniya koncentracii elektrolita, himicheskogo sostava aktivnyh veshchestv i poverhnosti elektrodov. V zavisimosti ot prichin vyzyvayushchih polyarizaciyu, ona delitsya na koncentracionnuyu, himicheskuyu i elektrohimicheskuyu, a v zavisimosti ot togo, ischezaet ili ostaetsya polyarizaciya pri otklyuchenii toka, poslednyuyu delyat na ustranimuyu i neustranimuyu. Himicheskaya polyarizaciya i chastichno koncentracionnaya otnosyatsya k neustranimoj polyarizacii ne ischezayushchej pri prekrashchenii toka [6]. Soprotivlenie polyarizacii yavlyaetsya meroj uvelicheniya vnutrennego soprotivleniya himicheskogo istochnika toka obuslovlennogo polyarizaciej. Ono imeet razmernost' soprotivleniya, no ne podchinyaetsya zakonu Oma, tak kak zavisit ot velichiny prohodyashchego toka. Znacheniya vnutrennego soprotivleniya 100 Ach plastin razlichnyh tipov akkumulyatorov privedeny na ris. p073. Pri vysokoj skorosti razryad real'no okazyvaetsya ogranichennym, poskol'ku iz-za nalichiya vnutrennego soprotivleniya akkumulyatora napryazhenie umen'shaetsya nizhe napryazheniya otsechki (napryazheniem otsechki nazyvaetsya minimal'noe napryazhenie, pri kotorom akkumulyator sposoben otdavat' poleznuyu energiyu). Pri vremeni razryada svyshe treh chasov otlichie vnutrennih soprotivlenij ne skazyvaetsya na razryadnyh harakteristikah razlichnyh tipov plastin. Dlya bolee korotkogo vremeni razryada velichina vnutrennego soprotivleniya v znachitel'noj stepeni vliyaet na razryadnye harakteristiki (ris. p074): 100 Ach akkumulyator OPzS za 10 minut otdaet tok 100 A; 100 Ach akkumulyator Vb za to zhe vremya otdaet 170 A. 2.2.1. TIPY PLASTIN AKKUMULYATOROV Plastiny akkumulyatorov byvayut poverhnostnye i pastirovannye. Poverhnostnyj elektrod sostoit iz svincovoj plastiny na poverhnosti kotoroj elektrohimicheskim sposobom formiruetsya sloj aktivnoj massy (ris. p012). Akkumulyatory s poverhnostnymi plastinami soderzhat otnositel'no bol'shuyu dolyu svinca po otnosheniyu k aktivnoj masse. Oni ispol'zuyutsya v modelyah GroE firmy VARTA. Pastirovannye elektrody podrazdelyayutsya na reshetchatye (namaznye), korobchatye, sterzhnevye (ris. p079) i pancirnye (ris. p078). Osnovoj pastirovannyh plastin yavlyaetsya reshetka-tokovod. Pri ciklicheskoj rabote akkumulyatorov s bol'shim soderzhaniem sur'my v materiale reshetki sur'ma perehodit v rastvor v rezul'tate korrozii reshetki polozhitel'nogo elektroda. Osazhdayas' na aktivnoj masse otricatel'nogo elektroda sur'ma sposobstvuet vydeleniyu vodoroda i uvelichivaet skorost' korrozii svinca. Takoj process nazyvaetsya sur'myanym otravleniem akkumulyatora. Osypanie aktivnoj massy i vnutrennee soprotivlenie akkumulyatora pri ispol'zovanii kal'cievyh reshetok neskol'ko bol'she, chem v sluchae svincovo-sur'myanyh. Razrushenie plastin preimushchestvenno proishodit pri zaryade akkumulyatora i yavlyaetsya odnim iz vazhnejshih faktorov ogranichivayushchih resurs akkumulyatora. Dlya umen'sheniya osypaniya v aktivnuyu massu vvodyat voloknistye materialy, naprimer, ftoroplast i ispol'zuyut netkannye maty iz steklovolokna prizhatye k plastinam. Sul'fataciya plastin -- rezul'tat hraneniya akkumulyatora v nedozaryazhennom sostoyanii. Obrazuyushchijsya pri etom ploho rastvorimyj v vode sul'fat svinca ogranichivaet emkost' akkumulyatora i sposobstvuet vydeleniyu vodoroda pri zaryade. Dlya vosstanovleniya emkosti akkumulyatora s sul'fatirovannymi elektrodami ego zapolnyayut elektrolitom nizkoj plotnosti ili dazhe distillirovannoj vodoj i zaryazhayut malymi tokami (primerno v sto raz men'she nominal'nogo zaryadnogo toka). 2.2.2. MATERIAL POLOZHITELXNOGO |LEKTRODA Uhudshenie elektricheskih harakteristik akkumulyatora i vyhod iz stroya obuslovleny korroziej reshetki i opolzaniem aktivnoj massy polozhitel'nogo elektroda. Srok sluzhby akkumulyatora opredelyaetsya, v pervuyu ochered', tipom polozhitel'nyh plastin i usloviyami ekspluatacii. V akkumulyatornom proizvodstve ispol'zuetsya kak chistyj svinec, tak i splavy soderzhashchie sur'mu, kotoraya neodnoznachno vozdejstvuet na ekspluatacionnye harakteristiki akkumulyatorov. Polozhitel'noe vozdejstvie sur'my svyazano s tem, chto polozhitel'nye elektrody s legirovannymi sur'moj reshetkami vyderzhivayut bolee sil'nye ciklicheskie zaryadno-razryadnye nagruzki. Nalichie sur'my sposobstvuet bolee prochnomu elektricheskomu kontaktu aktivnogo materiala s reshetkoj, v to vremya, kak v bessur'myanistyh reshetkah aktivnaya massa polnost'yu otslaivaetsya i otpadaet uzhe posle neskol'kih ciklov razryada-zaryada. Poetomu vse izgotoviteli akkumulyatornyh batarej primenyayut v reshetke polozhitel'nyh plastin splavy soderzhashchie 1...10% sur'my (sm. ris. p069). V tyagovyh batareyah ispol'zuyut splav soderzhashchij bolee 4% sur'my. Sleduyushchim preimushchestvom reshetok, vypolnennyh iz soderzhashchih sur'mu splavov, yavlyaetsya to, chto na nih ne voznikaet blokiruyushchego effekta, kotoryj chasto nablyudaetsya v sluchae s bessur'myanistymi plastinami. Blokiruyushchij effekt sostoit v obrazovanii tokoneprovodyashchih prosloek mezhdu reshetkoj i aktivnym materialom. |to, v svoyu ochered', mozhet privesti k bol'shim kolebaniyam emkosti dazhe na novyh batareyah. Otricatel'nyj effekt zaklyuchaetsya v tom, chto uvelichenie soderzhaniya sur'my uvelichivaet tok postoyannogo podzaryada i otnositel'noe ego uvelichenie vo vremya ekspluatacii akkumulyatorov (sm. ris. p071). Mezhdu dvumya krajnostyami -- obychnym i bessur'myanistym splavami -- raspolagaetsya ryad malosur'myanistyh splavov. Umen'shenie soderzhaniya sur'my nizhe 3% vyzyvaet obrazovanie kristallicheskih struktur materialov reshetok, kotorye privodyat k bystromu obrazovaniyu treshchin. |to delaet nevozmozhnym izgotovlenie kachestvennyh reshetok. Firme VARTA udalos' razrabotat' splavy, kotorye dazhe pri ochen' malom soderzhanii sur'my imeyut ochen' tonkuyu strukturu i, poetomu, mogut ispol'zovat'sya dlya izgotovleniya kachestvennyh reshetok. Pri etom vypolnyaetsya i takoe trebovanie, kak nepodverzhennost' etogo splava povyshennoj korrozii. Dlya etih splavov pri izmenenii soderzhaniya sur'my ot 6% do 1,6% srok sluzhby uvelichivaetsya v 5 raz [7]. Po sravneniyu s sur'myanistymi splavami drugih proizvoditelej preimushchestvo splavov firmy VARTA sostoit v tom, chto v akkumulyatorah s takimi reshetkami ne voznikayut blokiruyushchie effekty, meshayushchie pri zaryade i razryade, a stojkost' pri ciklicheskih nagruzkah hotya i men'she, po sravneniyu s obychnymi splavami, no otlichaetsya ot nih neznachitel'no. |to ubeditel'no demonstriruet ris. p069. Akkumulyatory, v kotoryh ispol'zuyutsya malosur'myanistye splavy imeyut dostatochno nizkij tok podzaryada, chto ob座asnyaetsya special'nymi dobavkami k aktivnoj masse. Na praktike samorazryad akkumulyatorov s bol'shim soderzhaniem sur'my dohodit do 2...3% v mesyac. Iz vyshe skazannogo sleduet, chto malosur'myanistye splavy predstavlyayut soboj vygodnyj kompromiss, v kotorom nedostatki sur'my prakticheski polnost'yu isklyucheny. S drugoj storony, ostayutsya vse preimushchestva kotorye daet sur'ma obespechivaya stojkost' k ciklicheskim nagruzkam i bezuprechnoe povedenie pri zaryade i razryade. Primenenie malo- ili bessur'myanistyh splavov znachitel'no umen'shaet razlozhenie vody, odnako, neizbezhno proishodit nekotoryj rashod vody na gazoobrazovanie, kak neot容mlemoe svojstvo svincovyh akkumulyatorov. Poetomu svincovye akkumulyatory ne mogut izgotavlivat'sya polnost'yu germetichnymi, kak shchelochnye. Dazhe germetizirovannye svincovye akkumulyatory, kotorye vneshne vyglyadyat polnost'yu zakrytymi, imeyut klapan, kotoryj daet vozmozhnost' gazu vyhodit' naruzhu. V germetizirovannyh akkumulyatorah poterya vody nastol'ko neznachitel'na v raschete na srok sluzhby, chto ne trebuetsya ee vospolneniya. V otlichie ot germetizirovannyh svincovye stacionarnye akkumulyatory bol'shih razmerov, izgotavlivaemye iz malo- ili bessurmyanistyh splavov, skonstruirovany takim obrazom, chto pozvolyayut doliv vody. Takie akkumulyatory poluchili nazvanie "malouhodnye". V malouhodnyh akkumulyatorah v processe perezaryada proishodit raspylenie elektrolita s vydeleniem gazov. CHast' elektrolita razbryzgivaetsya cherez ventilyacionnye otverstiya, t.e. teryaetsya. Umen'shenie rashoda zhidkogo elektrolita dostigaetsya ispol'zovaniem klapanov propuskayushchih gazy, no zaderzhivayushchih zhidkost'. V akkumulyatorah ispol'zuyutsya pruzhinnye i gidrofobnye (gidrofobnyj [gr. hydor voda, vlaga + gr. phobos strah, boyazn'] ispytyvayushchij slaboe vzaimodejstvie s vodoj) klapany. Dlya uvelicheniya intervalov mezhdu rabotami po uhodu za akkumulyatorami firmy VARTA ispol'zuyutsya probki s kataliticheskimi nasadki (sm. ris. p072). Oni vypolnyayutsya v vide vvinchivayushchihsya probok, zakryvayushchih zalivochnoe otverstie. Gidrofobnye poristye fil'try propuskayut gazy, no ne propuskayut vodnyj elektrolit. |ti nasadki soderzhat v sebe metallicheskie katalizatory. Obrazuyushchijsya v akkumulyatorah vodyanoj par kondensiruetsya kataliticheskim (kataliz [gr. katalysis razrushenie] -- vozbuzhdenie himicheskoj reakcii ili izmenenie ee skorosti nebol'shimi dobavkami veshchestv (katalizatorov) sostav kotoryh v reakcii ne menyaetsya) putem i stekaet v akkumulyator. Vopros obsluzhivaniya svincovyh akkumulyatorov svoditsya k voprosu o rashode vody. V etom smysle perehod k zakrytym akkumulyatoram byl shagom vpered, poskol'ku v otkrytyh akkumulyatorah 95% poter' vody proishodit za schet ispareniya. Opredelennyj rashod vody imeetsya za schet elektroliticheskogo razlozheniya vody, kotoryj v izvestnyh predelah neizbezhen. 2.2.3. GERMETIZACIYA SHirokoe rasprostranenie perenosnoj apparatury, istochnikov besperebojnogo pitaniya i drugoj mobil'noj tehniki potrebovalo razrabotki bolee udobnyh v ekspluatacii germetizirovannyh akkumulyatorov. Germetizaciya zatrudnena tem, chto pri rabote ili hranenii akkumulyatorov mozhet proishodit' vydelenie gazov. Osobenno intensivnoe vydelenie gazov (vodoroda i kisloroda) nablyudaetsya: v konce zaryada; pri perezaryade; pri perepolyusovke vsledstvie glubokogo razryada. Vazhnym usloviem horoshej germetizacii yavlyaetsya plotnoe himicheski- i termostojkoe soedinenie konstruktivnyh elementov. Osoboe znachenie imeet germetizaciya vyvodov -- kontakta metallicheskih tokovyvodyashchih elementov i nemetallicheskih izolyacionnyh materialov. V akkumulyatorah firmy VARTA (sm. ris. p080) s cel'yu polucheniya minimal'nogo soprotivleniya vnutrennyaya chast' vyvoda (3) vypolnena iz medi. Snaruzhi on pokryt svincom (6). Konstrukciya vyvoda obespechivaet germetichnost' soedineniya s korpusom (4) za schet zazhimaemyh elementami konstrukcii rezinovyh prokladok (5). Zashchitnyj chehol (2) mehanicheski zashchishchaet mesto soedineniya vyvoda s tokovedushchimi provodnikami (1). Dlya vypuska obrazuyushchihsya gazov vnutrennyaya polost' akkumulyatora dolzhna soobshchat'sya s atmosferoj. Otricatel'nye posledstviya gazovydeleniya -- neobhodimost' doliva vody iz-za ee razlozheniya, vrednoe vliyanie na obsluzhivayushchij personal i uvelichenie korrozionnoj aktivnosti atmosfery. CHastichnaya germetizaciya vozmozhna pri rekombinacii gazov po kislorodnomu ciklu. Zdes' ispol'zuetsya tot fakt, chto pri zaryade akkumulyatora snachala na polozhitel'nom elektrode vydelyaetsya kislorod, a pozdnee na otricatel'nom -- vodorod. Pravda, v takih akkumulyatorah ogranicheny zaryadnye i razryadnye toki iz-za nedopustimosti bol'shogo gazovydeleniya. Vnutrennyaya cirkulyaciya kisloroda predstavlyaet soboj posledovatel'nost' reakcij, v rezul'tate kotoryh iony kisloroda, obrazuyushchiesya na polozhitel'nom elektrode, peremeshchayutsya k otricatel'nomu, soedinyayutsya s vodorodom i obrazuyut vodu. V svincovyh akkumulyatorah takaya reakciya vozmozhna blagodarya ispol'zovaniyu "svyazannogo" elektrolita. "Svyazannyj" elektrolit imeet vnutri pory pozvolyayushchie ionam gazov svobodno peremeshchat'sya ot odnogo elektroda k drugomu. Dlya svyazyvaniya elektrolita sushchestvuet dva metoda: ispol'zovanie poristogo materiala, naprimer, steklovolokna propitannogo elektrolitom; ispol'zovanie geleobraznogo elektrolita. Steklovolokno, propitannoe dozirovannym kolichestvom sernoj kisloty, obrazuet poristuyu sistemu kapillyarnye sily kotoroj uderzhivayut elektrolit. |lektrolit doziruetsya takim obrazom, chtoby melkie pory byli zapolneny, a krupnye ostavalis' pustymi. CHerez nezapolnennye pory i svobodnoe prostranstvo v akkumulyatore vozmozhno svobodnoe peremeshchenie gaza. V geleobraznom elektrolite sootvetstvuyushchij rastvor sernoj kisloty soderzhit primerno 6% silikagelya. Pered zapolneniem akkumulyatora takoe zhele intensivno peremeshivayut i ono stanovitsya tekuchim. Posle zapolneniya akkumulyatora v rezul'tate zastyvaniya gelya obrazuetsya mnogo por, kotorye rasprostranyayutsya v raznyh napravleniyah i sposobstvuyut svobodnomu dvizheniyu gazoobraznogo kisloroda. V germetizirovannyh akkumulyatorah VARTA so svyazannym elektrolitom ispol'zuyutsya steklovolokonnye maty s dopolnitel'nymi separatorami. ZHeleobraznyj elektrolit primenyaetsya sovmestno s obychnymi separatorami. Ispol'zovanie zheleobraznogo elektrolita imeet te preimushchestva, chto pri ciklichnoj rabote akkumulyatora mala raznica koncentracii elektrolita v verhnej i nizhnej chasti akkumulyatora. Vysokie akkumulyatory s sorbirovannym elektrolitom proizvoditeli rekomenduyut ispol'zovat' v stacionarnyh usloviyah "lezha", chtoby ogranichit' vysotu separatora. 2.2.4. PROEKTIROVANIE BATAREJNYH USTANOVOK Dlya uspeshnoj ekspluatacii akkumulyatornyh batarej vazhno, chtoby v vypryamitelyah, ispol'zuemyh dlya zaryada, byli realizovany vse trebovaniya, kotorye pred座avlyayut k zaryadu akkumulyatorov (sm. gl. 3). Akkumulyatory, izgotavlivaemye po tehnologii VARTA (sm. tabl. t033), rekomenduetsya zaryazhat' po harakteristike IU (sm. ris. p077). |tot shchadyashchij zaryad s napryazheniem postoyannogo podzaryada yavlyaetsya naibolee predpochtitel'nym, hotya pri opredelennyh usloviyah mogut potrebovat'sya metody zaryada s povyshennym zaryadnym napryazheniem do 2,4 V/el. Pri etom vpolne dostatochno napryazheniya postoyannogo podzaryada 2,23 V/el. Nikel'-kadmievym akkumulyatoram, v otlichie ot svincovyh, trebuyutsya uravnitel'nye zaryady dlya vospolneniya