№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 629.788.018.3:541.136
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КИСЛОРОД-ВОДОРОДНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
© 2014 г. И.Н. ГЛУХИХ, А.Н. ЩЕРБАКОВ, В.Ф. ЧЕЛЯЕВ
ОАО "Ракетно- космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева" (РКК "Энергия"),
г. Королев, Московская обл. E-mail: Аndrey.N.Scherbakov@rsce.m
Описывается методика охлаждения бортового кислородо-водородного электрохимического генератора (ЭХГ). Помимо электроэнергии такой агрегат вырабатывает реакционную воду и тепло, которое является дополнительной нагрузкой на систему терморегулирования космического аппарата. Последнее нежелательно при длительных полетах, когда удельные энергетические характеристики бортовых систем имеют определяющее значение. Предлагается частично компенсировать энергозатраты системы терморегулирования аппарата на охлаждение ЭХГ за счет испарения реакционной воды последнего в вакуум (либо за счет сублимации льда, если давление в окружающем пространстве ниже давления в тройной точке воды). Такой способ охлаждения ЭХГ повышает удельные энергетические параметры бортовой системы электропитания и из-за наличия отрицательной обратной связи делает работу этой системы более устойчивой. Оценки показывают, что при электрическом КПД ЭХГ 60% за счет испарения его реакционной воды возможно компенсировать примерно половину тепла, выделяемого генератором. При этом даже небольшое увеличение КПД генератора приводит к значительному повышению эффективности испарительной системы его охлаждения.
Ключевые слова: электрохимический генератор, бортовые системы охлаждения, сублимация в вакууме.
EFFICIENCY ENHANCEMENT OF A OXYGEN-HYDROGEN FUEL CELL ELECTRICAL POWER SYSTEM IN SPACE
I.N. Glukhikh, A.N. Scherbakov, V.F. Chelyaev
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation "Energia", Korolev, Moscow region E-mail: Andrey.N.Scherbakov@rsce.ru
This article relates to refrigeration of a space on-board fuel cell systems, utilizing oxygen and hydrogen to generate the electrical power. Along the electricity such a system generate a water and a heat. The latest adds up an additional thermoload for the cooling system of the spacecraft. Its possible to compensate this using the reactant water of fuel cell. The cooling effect in this design is achieved due to vaporization of liquid reactant water in vacuum. If environmental pressure is less then pressure in triple point of water, the ice sublimation can be used. Such a refrigerating project would aid to decrease the thermoloading of cooling system of a spacecraft, and to rise the own specific energy of its electrical power system. Be-
sides, it permits to increase the stability of a cooling system of the spacecraft. The simple évaluation demonstrates, that for electric efficiency of fuel cell 60% a vaporization of its re-actant water may compensate approximately 50% of the heat, generating by the cell.
Key words: electrochemical generators, cooling systems, sublimation in vacuum.
Введение
Электрохимические генераторы (ЭХГ), перерабатывающие химическую энергию топлива в электрическую без стадии горения, известны достаточно давно, но они не нашли применения в энергетике, что объясняется в основном экономическими причинами. ЭХГ применяются только в космосе, главным образом в программах NASA
[1]. Впоследствии успехи в разработке традиционных аккумуляторов сократили потребность в ЭХГ, и в настоящее время в космосе используются в основном химические аккумуляторы на основе лития.
В перспективе в длительных космических экспедициях ЭХГ космического назначения, очевидно, будут использоваться гораздо шире, что обусловлено:
— их более высокой удельной энергией;
— адаптированностью кислородо-водородных ЭХГ к нуждам космонавта (вода, кислород);
— возможностью использовать компоненты топлива общие с кислородо-водород-ными двигателями;
— способностью энергоустановок с ЭХГ неограниченно долго хранить энергию без ее потерь.
Основной проблемой, затрудняющей применение ЭХГ на борту космических аппаратов (КА), является их недостаточная автономность. В отличие от обычных аккумуляторов при работе с ЭХГ от него надо отводить значительное количество тепла и реакционную воду. И если реакционная вода ЭХГ может с успехом использоваться в других системах КА, выделяемое генератором тепло приходится "сбрасывать" в систему охлаждения корабля, в качестве дополнительной тепловой нагрузки, что нежелательно.
В данной работе предлагаются меры по повышению автономности бортового ЭХГ, обеспечивающие работу генератора в космосе в режиме "самоохлаждения".
Улучшение характеристик ЭХГ
Главным преимуществом космических энергоустановок с ЭХГ является их высокая удельная энергия, в несколько раз превосходящая этот показатель лучших литиевых аккумуляторов. Если максимальная удельная энергия последних не превышает ~200 Вт • ч/кг, то для энергоустановки (ЭУ) с ЭХГ эта величина может достигать 700 Вт • ч/кг и более
[2]. При этом перспективы совершенствования ЭУ с ЭХГ значительно больше, чем у обычных аккумуляторов, и по системам хранения топлива и по самим ЭХГ.
Одним из способов повышения удельных энергетических параметров собственно ЭХГ является оптимизация его служебных систем применительно к конкретным условиям работы. Для ЭХГ основным фактором, позволяющим улучшить его работу в космосе, является вакуум окружающего пространства.
Суть данного технического решения сводится к испарению реакционной воды в вакуум. Точнее, в вакуум испаряется не сама вода, а лед, образующийся при ее замерзании в условиях открытого космоса. Таким образом, от генератора в окружающее пространство отводится тепло, а заодно и вода, т.е. ЭХГ работает в режиме "самоохлаждения" (хотя может быть и не полного). Это позволяет упростить конструкцию его служебных систем и тем самым уменьшить массу ЭХГ, повысить его удельные энергетические характеристики.
Рис. 1. Принципиальная схема самоохлаждения ЭХГ: ГЖТ — газожидкостной теплообменник; ВО — водоотделитель; Н — насос; ТС — теплообменник-сублиматор; ЭХГ — электрохимический генератор; КА — космический аппарат; ЭУ — энергоустановка; ТЭ — топливный элемент
При полном испарении реакционной воды такой режим обеспечивает автоматическую связь между тепловой мощностью ЭХГ и мощностью его охлаждения. Это можно использовать на нестационарных режимах работы, например для "демпфирования" пиковых тепловых перегрузок ЭХГ. Использование собственной реакционной воды ЭХГ для его охлаждения позволяет также снизить тепловую нагрузку на систему охлаждения корабля. В космосе, где проблема теплоотвода часто стоит достаточно остро, тепло, генерируемое ЭХГ, требует использования более мощных (следовательно, и более массивных) бортовых систем охлаждения. Обычно это крупногабаритные инфракрасные излучатели. Вакуумное испарение реакционной воды гораздо эффективнее и не требует использования больших устройств. Например, сублимационная система охлаждения, используемая в космических скафандрах "Орлан", при мощности 700 Вт достаточно компактна.
Принципиальная схема сублимационной системы охлаждения ЭХГ приведена на рисунке 1. В этой схеме "холодный" теплоноситель, поступающий в ЭХГ из системы охлаждения КА, сначала нагревается в газожидкостном теплообменнике (ГЖТ), охлаждая влажный водород, выходящий из топливного элемента (ТЭ). При этом из водорода в водоотделителе выделяется жидкая вода, а осушенный водород возвращается в ТЭ. Затем нагревшийся теплоноситель охлаждается в теплообменнике-сублиматоре (ТС), где происходит испарение реакционной воды. При этом в стационарном режиме тепло, получаемое теплоносителем в ГЖТ, равно теплу, которое он отдает в ТС. Таким образом, тепло, выделяющееся при конденсации реакционной воды, не поступает в КА, а уносится водой в окружающее пространство. Реакционная вода при этом циркулирует по замкнутому контуру.
Оценка эффективности режима самоохлаждения
Если не учитывать энергозатраты на собственные нужды, тепловая мощность ЭХГ определяется соотношением:
N = N (1 - Пэ)/Пэ, (1)
где N и пэ — электрические мощность и КПД генератора, соответственно.
При этом "тепловой" КПД генератора составляет:
Пт = 1 — Пэ. (2)
Значения этих коэффициентов зависит от основной характеристики ЭХГ — удельного расхода водорода gН, определяющего количество Н2, необходимого для выработки единицы электроэнергии.
Таким образом, расход водорода Ои, потребляемого ЭХГ, определяет как электроэнергию, так и тепловую мощность генератора:
N =
N = £н (1 - Чэ)/Чэ/шн- (3)
Этот расход определяет также производительность ЭХГ по воде
Gи1o = 9 Си2, (4)
а следовательно и мощность Жисп, которую можно отвести от генератора за счет испарения реакционной воды в вакуум:
Жсп = «и2с Оисп, (5)
где Оисп « 2300 кДж/кг — удельная теплота испарения воды.
Из (3) и (5) получается простое соотношение для величины К = Жисп/Жт, представляющей собой ту часть тепла ЭХГ, которая уносится его реакционной водой:
К = ^исПN = 9бисп£нПэ/( 1 - Пэ) . (6)
Для иллюстрации целесообразности работы ЭХГ в режиме самоохлаждения в таблице 1 для ЭХГ "Фотон" мощностью Жэ = 10 кВт даются оценочные значения энергетических характеристик такого режима.
Как видно из таблицы 1, даже при обычных КПД ЭХГ (50—60%) испарение реакционной воды может обеспечивать отвод значительной (до половины) части генерируемого им тепла. В принципе при увеличении электрического КПД генератора до ~75% возможно почти полное самоохлаждение ЭХГ. Такой КПД может регулироваться, например, при работе щелочных ЭХГ на небольших мощностях (токах), а также при совершенствовании существующих генераторов. Условием полного охлаждения является К = 1, откуда с учетом (6) получаем:
1
Пэ 1 + 9бисп£н Если учесть, что пэ и £Н связаны соотношением:
8н = 1/Пэ Ост.
(7)
(8)
где Осг — низшая теплота сгорания водорода (~120 МДж/кг), получим условие полного самоохлаждения ЭХГ:
1 — 9
Оис
а
(9)
Характеристики режима работы ЭХГ при N = 10 кВт
Таблица 1
Пэ, %
Пт, %
Жт, кВт
N кВт
К = Жисп/Жт, %
50 60 70 75
50 40 30 75
10
6,6
7.2
3.3
-30 -50 -70 -90
П
э
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.