ЭХГ для подводных объектов
В 60-х годах некоторые фирмы США и шведская АСЭА интенсивно занимались разработкой ЭУ с ЭХГ для подводных лодок. При этом значительное внимание уделялось системам хранения реагентов. В частности, разрабатывались системы с получением водорода путем термокаталитического разложения аммиака и конверсии водяным паром метанола. Работы названных фирм были прекращены, видимо, из-за несовершенства имевшихся ЭХГ.
Публикации, появившиеся в 1971 г., касаются работ фирмы «Пратт энд Уитни» [1.6]. Эта фирма на базе своих разработок для космоса после подготовительных исследований на маломощных макетах ЭХГ с щелочным электролитом приступила к выполнению заказа на создание ЭУ из трех батарей ЭХГ по 20 кВт для глубоководных аппаратов — исследовательской подводной лодки и судна технической помощи. Было намечено вначале построить и испытать одну батарею ЭХГ с баллонной системой хранения кислорода. Энергоемкость ЭУ 250 кВт-ч, масса 195 кг (9,75 кг/кВт).
Работы по ЭХГ для самодвижущихся подводных аппаратов помимо их прямого назначения могут быть использованы при создании любых других установок, изолированных от атмосферы, в том числе резервных.
В последние годы привлекает внимание применение маломощных ЭХГ в качестве ЭУ для различных морских буев — гидрофизических, акустических и пр. Мощность этих ЭУ от 5 до 80 Вт, требуемое время действия без выполнения запаса реагентов — максимально возможное (месяцы). Проектируемые системы хранения реагентов — баллонные, а также системы с получением водорода и кислорода из их соединений (гидридов, перекисей). Сведений о практическом осуществлении этих проектов нет.
1.3.1. Транспортные и передвижные ЭХГ
Попытки создания транспортных и маломощных передвижных ЭХГ начались уже иа ранних стадиях его разработки.
В демонстрационных целях были оборудованы ЭХГ трактор (фирма «Аллнс-Чалмерс»), мотоколяска, грузовой подъемник. Четырьмя фирмами были построены экспериментальные электромобили (два па гидразине).
Фургонный электромобиль «Электровэн» фирм «Юнион карбайд» и «Дженерал моторе» (1966—1967 гг.) имел водородно-кислородный ЭХГ номинальной мощностью 32 кВт и максимальной кратковременной 160 кВт.
Криогенная система хранения реагентов должна была по расчету обеспечить разовый пробег до 240 км. Была построена и испытана имитационная ЭУ и проведены испытания электромобиля на динамометрическом стенде. Пуск установки занимал 2—5 ч, остановка около 30 мин.
Шагом вперед явился четырехместный легковой электромобиль фирмы «Юнион карбайд» [1.7]. Он был оборудован водородновоздушным ЭХГ мощностью 6 кВт и буферным аккумулятором, имевшим емкость 4 кВт-ч. Водород хранился в баллонах и обеспечивал пробег до 320 км при скорости 56—64 км/ч. Время пуска установки составляло 2 мин. Электромобиль успешно прошел длительные дорожные испытания.
Все перечисленные работы не получили дальнейшего развития. Тем не менее электромобиль с водородно-воздушным ЭХГ благодаря отсутствию вредных выбросов и высокой экономичности при переменных режимах движения остается одним из наиболее перспективных средств городского транспорта.
Для элсктромобильных и других ЭХГ, работающих в городских условиях, благоприятным фактором является возможность централизованного снабжения водородом промышленной выработки.
Значительно сложней решается вопрос об обеспечении водородом передвижных ЭХГ. Последние представляют интерес прежде всего для военной техники как источники энергопитания полевых средств связи, радиолокации и пр.
Требование максимальной автономности и перспектива массового применения этих ЭХГ делают желательным для них хранение водорода в форме его дешевых химических соединений — аммиака, метанола, жидких нефтепродуктов.
Переработка этих топлив па газы, содержащие свободный водород, в большинстве случаев производится в каталитических реакторах при нагреве до нескольких сотен градусов Цельсия. Для ЭХГ с щелочным электролитом водород должен быть отделен от примесей во избежание уже упоминавшейся карбонизации электролита.
Несмотря на такие усложнения, за последние 15 лет в ряде стран были разработаны ЭУ, имевшие в своем составе ЭХГ мощностью от 0,05 до 5 кВт со щелочным электролитом.
Помимо отсутствия ЭХГ, пригодных для массовой эксплуатации в полевых условиях, для вариантов на метаноле и аммиаке противопоказанием, несомненно, явилась необходимость организации специальной сети снабжения этими продуктами. К тому же они токсичны и химически агрессивны.
В вариантах с использованием жидких нефтепродуктов (бензин, керосин) встретились чисто технические трудности. Взятый из промышленной практики процесс каталитической конверсии топлива водяным паром на базе стандартных нефтяных жидких топлив, представляющих собой смеси индивидуальных углеводородов различного состава и молекулярной массы, надежно не осуществляется. При этом требуется большой расход очищенной воды (в 4—6 раз больше расхода топлива), использование которой сильно усложняет эксплуатацию, особенно зимой. Такая ЭУ в целом получается чрезмерно сложной и дорогой для маломощного агрегата.
Последние публикации об этих установках относятся к 1968 г. Судя по всему, до их практического внедрения дело нигде не дошло, хотя, по фирменным данным, КПД газификации достигал 70%, а общий КПД ЭУ —35-37%.
Фирма «Пратт энд Уитни», разработавшая ЭУ мощностью 0,5 и 3,75 кВт, использовала затем полученный опыт при создании стационарных агрегатов мощностью 12,5 кВт с конверсией природного газа.
Та же фирма (ныне — «Юнайтед текнолоджиз») в 1972—1973 гг. опубликовала сведения о передвижной ЭУ мощностью 1,5 кВт с термокаталитическим разложением топлива типа керосина на водород и углерод, т. е. без применения воды. Газификатор — периодического действия, в котором накопившаяся на катализаторе сажа выжигается путем продувки воздухом, после чего в газификатор вновь подаются пары топлива.
Получаемый газ с содержанием водорода около 90% после очистки от сернистых соединений и охлаждения используется в водородно-воздушном ЭХГ с фосфорнокислым электролитом, который не подвержен карбонизации. Коэффициент полезного действия газификатора равен только 17%, а общий КПД установки — 8,5%) [удельный расход топлива около 1 кг/(кВт-ч)]. Несмотря на это, в результате испытаний было решено разработать гамму таких ЭУ на мощности от 0,5 до 5 кВт.
Следует, однако, указать, что помимо низкой экономичности этих установок их серьезным недостатком является наличие высоконапряженного элемента конструкции — клапана или золотника, переключающего газовые потоки с температурой 1000°С и выше.
В целом приходится констатировать, что для передвижных ЭУ в диапазоне мощностей от 0,5 до 10 кВт задача снабжения водородом в полевых условиях еще не получила удовлетворительного решения. Результаты разработок ЭХГ в СССР рассмотрены в последующих главах книги.