параметры ЭЭУ и ЭЭС. Из рассмотрения иерархической структуры ЭЭУ также следует, что мощности ЭЭУ и ЭЭС можно изменять в широких пределах. Соединяя последовательно и параллельно ТЭ, можно увеличивать напряжение и ток, соответственно и мощность батареи ТЭ. Соединяя несколько батарей ТЭ, можно получить модули, в свою очередь, составляя которые, можно получить ЭХГ и соответственно ЭЭУ любой мощности и конфигурации.

1.1.4. Электролизные установки (электролизеры). Электролизная ячейка, как и ТЭ, самостоятельно не работает, так как, так же как и ТЭ, требует устройств подвода исходных реагентов и отвода продуктов реакции, источника постоянного тока, систем термостатирования, устройств обработки продуктов реакции и1 др. Электролизные установки обычно состоят из батареи электролизных ячеек, подсистемы питания постоянного тока, подсистем хранения, подготовки и подвода реагентов, отвода К| обработки продуктов реакции, термостатирования, регулирования параметров электролизера и др. 14

Г 7 т

О

\0к |г

7 В г + чПр

Пр

1.1.5. Комбинированные энергоустановки. Энергоустановки могут быть получены и сочетанием электрохимических устройств друг с другом, а также электрохимических установок с неэлектрохимическими установками. Таким способом получают комбинированные энергоустановки.

Сочетание ЭХГ с аккумуляторной батареей позволяет использовать достоинства этих устройств. Так, ЭХГ эффективно работает в режиме длительной эксплуатации, в то время как батареи аккумуляторов наиболее эффективны при коротких циклах разряд-заряд.

Сочетанием электролизера и ЭХГ можно создать электрохимические аккумулирующие установки (регенеративные установки) большой мощности.

Как известно, на пути решения проблемы использования солнечной и ветровой энергии имеется еще много нерешенных проблем, одна из которых связана с периодическим характером действия этих источников энергии. Сочетание солнечных батарей и ветроустановок с аккумуляторными батареями и электролизерами позволяет в определенной степени преодолеть эту трудность.

Возможны также энергоустановки на основе двигателя внутреннего сгорания - аккумуляторной батареи, атомного реактора - электролизера - паровой (газовой) турбины и др.

Во всех рассмотренных выше установках и устройствах процессы электрохимического преобразования энергии происходят в электрохимических элементах и ячейках.

Учитывая, что в работе различных элементов и ячеек имеются некоторые общие закономерности, целесообразно начинать рассмотрение электрохимических энергоустановок с анализа характеристик электрохимических элементов и ячеек.

15

1.2. ТЕРМОДИНАМИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК

Термодинамика позволяет рассчитывать параметры элементов и ячеек при равновесии: электродвижущую силу (ЭДС) и КПД. Так как электрохимический метод обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую и электрической энергии в химическую без промежуточных стадий образования и превращения тепла, то в расчетах ЭДС и КПД можно сравнивать химическую энергию токообразуюшей реакции и электрическую энергию, подводимую к ячейке или отводимую от элемента.

1.2.1 Расчет ЭДС. Электрохимические элементы обычно работают при изобарно-изотермических условиях (Р = const, Т = = const). Для этих условий максимальная работа АтахРТ,кслорая может быть получена в системе при обратимом протекании химической реакции, равна энергии Гиббса этой реакции AG,c обратным знаком:

AmaxPT = -bG. (1.18)

Максимальная работа, которукгможно получить в элементах,

где Еэ - ЭДС; q3 - количество прошедшего электричества.

По закону Фарадея при электрохимическом превращении 1 моля эквивалентов вещества через систему протекает количество электричества, численно равное постоянной Фарадея. При превращении 1 моля вещества через систему протекает количество электричества, численно равное nF, т.е.

ч, = nF, '(1.20)

где п - число моль-эквивалентов на 1 моль превращенного вещества; F - постоянная Фарадея, равная примерно 96 500 Кл/моль-экв.

Подставляя (1.19), (1.20) в (1.18), получаем

E3=-AG/(nF). 0-21)

Энергия Гиббса химической реакции, как и любая термодинамическая функция ДФ, может быть рассчитана по уравнению 16

ДФ = lv/np ДФ;пр - Z у/ии[ Д Ф/ИС1, ' (1.22)

где Vy - стехиометрический коэффициент в уравнении реакции для ;'-го вещества; ДФ;-- термодинамическая функция образования ;-го вещества из простых веществ; индекс "пр" - продукты; индекс "исх" - исходные вещества.

По (1.21) и (1.22) можно рассчитать ЭДС любых элементов или ячеек.

Для расчета зависимости ЭДС или парциального давления реагирующих веществ и продуктов реакции необходимо учесть уравнение изобары реакции

Д G = Д G» + RT(Z»;np In aJnp - Zvjmx In ауив). (1.23)

При этом

ДО = ДО°+ JJTdv^lnP^-Zv^ln Р}исх), (1.24)

где а;пр, а;ис, - активность продуктов реакции и исходных веществ; Pj пр, Pj исх - относительное* парциальное давление продуктов реакции и исходных веществ; Д G0-стандартная энергия Гиббса химической реакции, т.е. энергия Гиббса реа