Перезаряжаемые топливные элементы
Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторные бата популярность которых продолжает расти, оказываются очень полезными использования на электротранспорте. Хотя батареи этого типа, строго гов не являются топливными элементами, они заслуживают внимания. Никель — таллгидридная аккумуляторная батарея — это вторичный источник тока (т_, перезаряжаемый источник тока), в котором электрическая энергия получа при изменении степени окисления никеля от +3 до +2.
Анод, изготовленный из металлического сплава, погружен в 30 %-ный массе) водный раствор КОН. Эта сильная щелочь практически полностью социирует на ионы К+ и ОН-. Водород, который подводится к этому элект соединяется с гидроксильными ионами, образуя воду и высвобождая элект — которые создают электрический ток во внешней цепи, что и определяет по. ную выходную мощность источника тока:
Н + ОН -> Н20 + е~
Катод изготовлен из гидрооксида никеля NiOOH. Когда катод получает э. троны из внешней цепи, оксигидрит никеля преобразуется в гидроксид ни ля (II), при этом высвобождается гидроксильный ион:
NiOOH + Н20 + е —> Ni(OH)2 + ОН.
Отметим, что общее количество воды и гидроксильных ионов остается тоянным — на аноде вода расходуется с точно такой же скоростью, с какой образуется на катоде. В этом состоит отличие данного типа батареи от нике кадмиевой батареи, в которой в процессе разрядки вода потребляется на электродах. Концентрация ионов ОН — также остается постоянной в проп разрядки, так как этот ион образуется на аноде и исчезает на катоде.
Вещества, расходуемые в процессе разрядки — водород и гидрооксид ник регенерируются при зарядке батареи от внешнего источника электроэнерг
обеспечивающего металлический электрод электронами. При этом происходит электролиз воды с образованием ионов Н+ и ОН-. На другом электроде гидроксид м икеля (II) окисляется до оксигидрита никеля при взаимодействии с гидроксиль — ы ии ионами ОН-. Металлический сплав анода абсорбирует водород, который хранится в виде гидрида (см. гл. 9), поэтому собственно газ не используется. Водород становится доступным в процессе разрядки. Номинальное напряжение на каждом элементе никель-металлогидридной батареи равно 1,2 В, что составлю ет примерно 60 % номинального напряжения обычного свинцово-кислотного элемента. Первые появившиеся прототипы никель-металлогидридных батарей характеристикам превосходили требования Американского консорциума & источникам питания (US Advanced Battery Consortium (USABS))1*, как видно an данных, приведенных в табл. 7.2 (таблица взята из публикации Овчинско — и с соавторами). Чем больше плотность энергии, запасенной в батарее, тем большее расстояние сможет пройти транспортное средство. На автомобиле (модели EV1, созданном фирмой General Motors (первый автомобиль, спроек- фованный изначально как электромобиль), использовались свинцовые акку- ляторные батареи емкостью 49 МДж (что примерно соответствует энергии, одержащейся в 1 кг бензина), и его максимальный пробег составлял 140 км. овременная модель этого автомобиля, оборудованная никель-металлогид — идными батареями той же массы, может проехать без дозаправки 250 км. ирмой Solectria, специализирующейся на электромобилях, была создана юнстрационная модель автомобиля2*, кузов которого был изготовлен из чпозитных материалов, а топливная система оборудована никель-металло — ридной батареей производства фирмы Ovonic емкостью 117 МДж, состо — шей из 210 элементов. Этот автомобиль прошел 601,25 км по проселочным городским дорогам без дозаправки. В конце 1996 г. этот результат был рекорд — ыч для электромобиля. Компания Ovonic Battery, находящаяся в г. Троя, тат Мичиган, США, производит никель-металлогидридные батареи.
К материалам, используемым для изготовления никель-металлогидридных зарей, предъявляются достаточно сложные требования. Энергоемкость бата — II зависит от того, какое количество водорода может быть абсорбировано ме — ътическим сплавом, из которого изготовлен электрод. Необходимым услови — является обратимость процесса образования гидрида (см. гл. 9), а для этого ачение энтальпии образования гидрида должно лежать в диапазоне от 25 до ЧДж/кмоль. Если значение энтальпии образования гидрида окажется слиш — ч мало, то водород не будет вступать в реакцию со сплавом и газ будет выде-
Американский консорциум по источникам питания подчиняется Министерству энергетики "А и занимается поддержкой и развитием исследовательских и конструкторских работ по чаботкс и усовершенствованию электрохимических батарей питания для электромобилей.
Модель под названием «Sunrise» была рссчитана на двух пассажиров и имела собственную су, равную 1000 кг.
лятся. Если же значение окажется слишком большим, это приведет к окислен электрода. Свойства поверхности металлического сплава имеют важное значе при определении каталитической активности, электропроводности, пористое и площади активной поверхности.
Таблица 7.2. Технические требования USABS и характеристики прототипов ник металлогидридных батарей
Срок эксплуатации, годы
|
Табл. 7.3. (Окончание)
|
Стоимость батарей, которая является ключевым вопросом, зависит от многих факторов, в особенности от спроса на эти устройства. Тем не менее даже на современном уровне развития этих технологий никель-металлогидридная батарея, похоже, является перспективным кандидатом для применения в качестве аккумулятора энергии на электромобилях.
Компактные NiMH батареи также популярны и часто используются в портативных видеокамерах, мобильных телефонах и других малогабаритных устройствах. Однако в этой области применения у NiMH батарей появился серьезный конкурент — ионно-литиевые батареи.