Регенеративная электрохимическая система энергоснабжения пилотируемого космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом и способ ее эксплуатации

Изобретение относится к энергетике, к системе энергоснабжения космических аппаратов и напланетных станций. Электрохимическая система энергоснабжения космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает электролизер воды и кислородо-водородный генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом, металло-водородный аккумулятор, имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с баллоном хранения водорода пневмомагистралью с запорным элементом. Способ эксплуатации указанной системы включает осуществление замкнутого цикла реакций разложения воды током на водород и кислород, стехиометрическое соединение этих газов с получением электричества и воды с отбором из этого цикла кислорода, избыток водорода используют в качестве реагента в металло-водородном аккумуляторе, который предварительно заряжают, удаляя из него образующийся при этом водород. Технический результат - сохранение энергоемкости утилизация избыточного водорода, повышение безопасности системы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может использоваться при разработке систем энергоснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) и напланетных станций.

Регенеративные электрохимические системы с замкнутым по воде рабочим циклом хорошо известны (в частности, аккумуляторы энергии с водородным (водяным) циклом - АЭВЦ). Их основными элементами являются электролизер воды (ЭВ) и кислородо-водородный электрохимический генератор (ЭХГ), объединенные общими средствами хранения реагентов:

- баллонами хранения водорода (БХВ) и кислорода (БХК);

- резервуаром сбора воды (РСВ).

Электролизер, подключенный к первичному источнику энергии (например, солнечной батарее), разлагает током воду на водород и кислород, которые служат рабочими газами для ЭХГ. Вода, образующаяся при работе последнего, в свою очередь служит для питания ЭВ. Объемы БХВ и БХК в такой системе выбираются соответствующими стехиометрическому отношению этих газов в реакции разложения воды (2:1) - это обеспечивает минимальную нагрузку на мембрану ЭВ (US 20100055512 А1, 2010-03-04, МПК: В64С 3/14 (2006.01), B64D 27/02 (2006.01), С25В 1/00 (2006.01).

Его недостатком с точки зрения пилотируемой космонавтики является полная замкнутость по всем реагентам, особенно по кислороду. Получить из такой СЭС кислород для дожигания даже в аварийной ситуации невозможно, несмотря на его наличие на борту КА.

В связи с этим в принятом (как для устройства, так и для способа) прототипе («Установка с электролизерами воды высокого давления для лунной базы», Известия РАН, Энергетика, №3, 2007 г., с.35-45, Академиздат-центр, «Наука», РАН) космические системы типа АЭВЦ предусматривают дополнительную связь БХК с системой обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) пилотируемых КА и напланетных станций. Эта связь (пневмомагистраль с запорным элементом, соединяющая БХК СЭС и СОЖ КА), которую используют в нештатных ситуациях для спасения экипажа, является единственным принципиальным отличием прототипа от технического решения, принятого за аналог. Тем не менее эта особенность космических СЭС такого типа является жизненно важной. Согласно выбранному прототипу регенеративная электрохимическая система энергоснабжения пилотируемого космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает электролизер воды и кислородо-водородный электрохимический генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с общими для них баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых имеет меньший объем, чем баллон хранения водорода и соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом. Способ эксплуатации регенеративной электрохимической системы энергоснабжения пилотируемого космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает осуществление замкнутого цикла реакций разложения воды током на водород и кислород, а также последующие стехиометрическое соединение этих газов с получением электричества и воды в штатной ситуации и с отбором из этого цикла кислорода - в нештатной ситуации.

При этом отбор кислорода приводит к дисбалансу реагентов в СЭС и уменьшает ее энергоемкость, поэтому возможна ситуация, когда придется делать выбор между «дыханием и энергоснабжением». Кроме того, в системе остается излишек водорода, что увеличивает перепад давления на мембрану ЭВ. Это создает дополнительные технические проблемы «снижает уровень безопасности.

Задача данного изобретения - исключить такую ситуацию, то есть компенсировать снижение энергии СЭС, вызванное аварийным отбором кислорода, и утилизировать избыточный водород, остающийся в системе.

Техническим результатом изобретения является:

- сохранение энергоемкости СЭС в нештатной ситуации;

- утилизация избыточного водорода на борту КА;

- повышение безопасности системы.

Технический результат достигается тем, что в регенеративную электрохимическую СЭС пилотируемого КА с замкнутым по воде рабочим циклом, включающую ЭВ и кислородо-водородный ЭХГ, гидравлически связанные друг с другом через РСВ и пневматически сообщающиеся с общими для них БХВ и БХК, последний из которых имеет вдвое меньший объем, чем БХВ и соединен с СОЖ КА пневмомагистралью с запорным элементом, дополнительно введен металло-водородный аккумулятор (МВА), имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с БХВ пневмомагистралью с запорным элементом.

Технический результат достигается также тем, что в способе эксплуатации данной СЭС, включающем проведение замкнутого цикла электрохимических реакций, состоящего из разложения воды током на водород и кислород и последующего стехиометрическаого соединения этих газов с получением электричества и воды в штатной ситуации, а также отбор кислорода из этого цикла в нештатной ситуации, после отбора кислорода образовавшийся избыток водорода используют в качестве реагента в МВА, который предварительно заряжают, удаляя из аккумулятора образующийся при этом водород.

Сущность изобретения поясняется схемой на фиг.1, где дана принципиальная схема предложенной СЭС. Здесь входная гидромагистраль (12) ЭВ (1) и выходная гидромагистраль (13) ЭХГ (2) подключены к общему РСВ (3).

Выходные пневмомагистрали ЭВ (1) по водороду (14) и кислороду (15) соединены соответственно с БХВ (4) и БХК (5).

К этим же баллонам подключены соответствующие входные пневмомагистрали (16) и (17) ЭХГ (2). БХК (5) подключен пневмомагистралью (6) к СОЖ (на фиг.1 не показана). СЭС и СОЖ разделяются запорным элементом (7), установленным на магистрали (6).

БХВ (4) имеет выходную пневмомагистраль (8) с запорным элементом (9), которая соединена с водородным штуцером (10) MB А (11).

Работает СЭС следующим образом. В штатной ситуации запорные элементы (7) и (9) на пневмомагистралях (6) и (8) закрыты. Рабочие компоненты (Н₂O, Н₂, O₂) обращаются по замкнутому циклу между ЭВ (1) и ЭХГ (2) через, соответственно, РСВ (3), БХВ (4) и БХК (5).

В аварийной ситуации, когда требуется дополнительный кислород для экипажа, открывают запорный элемент (7), и в СОЖ КА поступает газ из БХК (5). После этого соотношение рабочих газов в СЭС уже не соответствует потребности системы ЭХГ (2), и избыток водорода можно использовать в MB А (11). Для этого открывают запорный элемент (9) на магистрали (8), и водород из БХВ (4) через штуцер (10) поступает в MB А (11).

Суть предложения состоит в том, что к рабочим реагентам «водяной» СЭС (Н₂O, Н₂, O₂) добавляется дополнительной окислитель - гидроокись металла, способная вступить в электрохимическую реакцию с водородом. В качестве химического реактора для проведения этой реакции используется модифицированный MB А, имеющий водородный штуцер. В нем гидроокись металла заранее «доокислена» до состояния, в котором она находится в заряженном МВА.

На практике используется заряженный МВА, из которого основная часть водорода выпущена. Это делается заранее, перед началом эксплуатации СЭС, например, перед запуском КА. По сравнению со стандартным герметичным металло-водородным аккумулятором (например, патент RU 2046463 C1, (2006.01), 20.10.1995) его использование в предлагаемой системе имеет определенные преимущества, в частности:

- аккумулятор может иметь большой запас гидроокиси металла (то есть энергоемкость) при небольших массогабаритных характеристиках, а его рабочее давление может быть сравнительно невысоким;

- раздельное хранение гидроокиси и водорода существенно снижает саморазряд МВА (это высокий показатель является характерным недостатком герметичного МВА).

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сохранять энергию в СЭС, несмотря на отбор из нее кислорода в нештатной ситуации, то есть дает возможность лучше адаптировать АЭВЦ для условий пребывания человека в космосе.

1. Регенеративная электрохимическая система энергоснабжения пилотируемого космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом, включающая электролизер воды и кислородо-водородный электрохимический генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с общими для них баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых имеет меньший объем, чем баллон хранения водорода и соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом, отличающаяся тем, что в нее введен металло-водородный аккумулятор, имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с баллоном хранения водорода пневмомагистралью с запорным элементом.

2. Способ эксплуатации регенеративной электрохимической системы энергоснабжения пилотируемого космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом, включающий осуществление замкнутого цикла реакций разложения воды током на водород и кислород, а также последующие стехиометрическое соединение этих газов с получением электричества и воды в штатной ситуации и с отбором из этого цикла кислорода - в нештатной ситуации, отличающийся тем, что после отбора кислорода образовавшийся в системе избыток водорода используют в качестве реагента в металло-водородном аккумуляторе, который предварительно заряжают, удаляя из него образующийся при этом водород.