УДК 629.78.062.3: 629.785
Худяков С. А.
РКК «Энергия» им. С.П. Королева, г. Королев Московской области
Тел.: (095) 513-65-81, факс: (095) 513-61-38, e-mail: Sergey.Hudyakov@rsce.ru
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ЩЕЛОЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЛУННОГО ОРБИТАЛЬНОГО КОРАБЛЯ И МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ «БУРАН»
Представлены основные результаты работ по энергоустановкам на основе щелочных топливных элементов для советских пилотируемых космических кораблей: лунного орбитального корабля и многоразового орбитального космического корабля «<Буран». Обсуждаются основные научно-технические и производственно-технологические проблемы, которые были решены при создании этих энергоустановок. Дано сравнение основных характеристик отечественных энергоустановок с характеристиками энергоустановок на основе топливных элементов американских пилотируемых космических кораблей «<Джемини», «(Аполлон» и «(Шаттл» и показаны перспективы их совершенствования.
ВВЕДЕНИЕ
Впервые топливные элементы (ТЭ) были созданы англичанином Гровом в 1839 г, однако только в середине ХХ века они стали интенсивно разрабатываться, и появилась реальная возможность создания энергоустановок (ЭУ) на их основе.
ТЭ является электрохимическим источником тока, в котором свободная энергия пространственно разделенных окислительно-восстановительных процессов непосредственно превращается в электрическую энергию постоянного тока. ТЭ отличается от обычного гальванического элемента главным образом тем, что его конструкция позволяет обеспечить непрерывный раздельный подвод компонентов топлива (горючего и окислителя) в зону реакции и непрерывное (или периодическое) удаление продуктов реакции. ТЭ в отличие от аккумулятора, который запасает электроэнергию, является генератором (первичным источником) электроэнергии (рис. 1).
Реакции идут на специально разработанных пористых электродах, активированных мелкодисперсными порошками редких металлов (П, Pd и др.). Между электродами находится водный раствор электролита (в данном случае КОН). На водородном электроде идет реакция:
Н2 + 2ОН- ^ 2Н2О + 2е-,
в результате которой накапливается вода и выделяются электроны. На кислородном электроде реакция может быть записана в виде:
О2 + 2Н2О + 4е- ^ 4ОН-,
т. е. если электроды соединить металлическим проводником, по нему потекут электроны - электрический ток.
Суммарно реакции, протекающие в ТЭ, могут быть записаны в виде:
Н2 + — О 2 = электроэнергия + Н2О + 242 кДж/моль.
Таким образом, в результате реакции на электродах в ТЭ вырабатывается электроэнергия, образуется вода и выделяется тепло. Некоторое количество образующейся воды может накапливаться в специальном пористом буферном слое, который устанавливается в каждом ТЭ.
Напряжение на отдельном ТЭ не превышает 1,1В и постепенно снижается при повышении плотности тока (отношение тока к площади электрода) отдельного ТЭ. Для получения заданного напряже-
Рис. 1. Принципиальная схема щелочного водородно-кис-лородного топливного элемента: 1 - циркуляция и продувка; 2 - пористый никелевый водородный электрод; 3 - пористая никелевая буферная пластина; 4 - водородная камера; 5 - подвод водорода; 6 - подвод кислорода; 7 - кислородная камера; 8 - пористый никелевый кислородный электрод; 9 - пористая асбестовая матрица, пропитанная водным раствором КОН; 10 - продувка
38
ния ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения заданной мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Одна или несколько батарей ТЭ вместе с элементами их газораспределения и (иногда) автономного терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, именуемый электрохимическим генератором (ЭХГ). Несколько ЭХГ, система хранения (подготовки) и подачи компонентов топлива, средства распределения и коммутации электроэнергии, система обеспечения теплового режима, средства накопления и удаления продуктов реакции (для водородно-кис-лородных ТЭ - вода), вспомогательные источники электроэнергии (обычно аккумуляторные батареи) и система автоматического управления, объединенные трубопроводами, кабельной сетью и элементами конструкции, образуют энергоустановку.
Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу среды для внутреннего переноса ионов (по типу электролита): ■ щелочные ТЭ (обычно КОН), Тра6 = 80...260 °С;
твердополимерные ТЭ (ионообменные мембраны), Т = 60.80 °С;
раб. '
кислотные ТЭ (обычно Н3РО4), Траб = 180.230 °С;
■ расплаво-карбонатные ТЭ (расплавленные карбонатные соединения), Траб = 500. 800 °С;
■ твердоокисные ТЭ (обычно^О^, Траб. = 900.1000 °С; Наибольшие успехи достигнуты по ЭУ с ЭХГ на
основе щелочных и твердополимерных ТЭ, причем последние активно готовятся к использованию на автомобильном транспорте. Оба этих типа ЭУ планируются как автономные ЭУ мощностью до нескольких сот киловатт, работающие как на водороде и кислороде, так и на природном газе (попутном нефтяном газе, газовом конденсате и т.д.) и воздухе. Область применения: космические аппараты, подводные аппараты и подводные лодки, электромобили и широкое использование в народном хозяйстве для электро- и теплоснабжения различных потребителей.
ЭУ с ЭХГ на основе фосфорнокислых ТЭ доведены до опытно-промышленных образцов, однако дальнейшего развития пока не получили из-за трудностей достижения необходимого ресурса и приемлемой стоимости.
ЭУ с ЭХГ на основе расплаво-карбонатных и твер-доокисных ТЭ проходят экспериментальную отработку. Их область применения - большая энергетика (сотни и тысячи киловатт), причем они могут в связи с высокими рабочими температурами потреблять различные углеводородные топлива без преобразования в водород.
Впервые ЭУ на основе ТЭ были применены на космических кораблях (американских: «Джемини», «Аполлон», «Шаттл» [1, 3, 5, 6] и Советских: Лунный орбитальный корабль советской Лунной экспедиции, многоразовый орбитальный пилотируемый космический корабль «Буран» [2, 4, 7, 8, 9, 10]), что было связано с рядом важных достоинств ЭУ на основе щелочных и твердополимерных ТЭ:
■ чрезвычайно высокая эффективность прямого преобразования химической энергии топлива (водорода) и окислителя (кислорода) в электроэнергию (КПД = 55-65 %);
■ удельная вырабатываемая энергия ~ в 10 раз выше, чем у лучших аккумуляторных батарей (800-1000 Вт . ч/кг вместо 80-100 Вт . ч/кг);
■ идеальная экологическая чистота (продуктом реакции является сверхчистая вода), отсутствие шума, вибраций, радиации;
■ способность к оптимальной интеграции с другими системами космического корабля (системой жизнеобеспечения, системой терморегулирования): использование продукта реакции - воды для питья и бытовых нужд экипажа, а также для испарителей системы терморегулирования; использование кислорода, предназначенного для ТЭ, также для дыхания экипажа;
■ простота обеспечения потребителей электроэнергией нужного качества;
■ стабильность выходного напряжения и КПД в большом диапазоне нагрузок, причем КПД при уменьшении нагрузки даже несколько возрастает; способность к многократным перегрузкам по току и, как следствие, отсутствие каких-либо дополнительных буферных и регулирующих устройств;
■ удобство эксплуатации космического корабля: обеспечение электрических проверок корабля в монтажно-испытательном корпусе и на стартовой позиции с функционированием ЭУ - штатного источника электропитания, возможность многократных заправок компонентами топлива.
К недостаткам этих ЭУ следует отнести относительно высокие удельную массу (кг/кВт) и удельный объем (л/кВт) ЭХГ и ЭУ в целом, а также невысокую рабочую температуру (<100 оС), что увеличивает площадь холодильника-излучателя, обеспечивающего сброс тепла, образовавшегося в процессе выработки электроэнергии. Однако перечисленные выше преимущества обеспечили бесспорный выигрыш ЭУ на основе ТЭ по сравнению с ЭУ на основе солнечных батарей, радиоизотопных генераторов, двигателей внутреннего сгорания и турбин открытого цикла, а также с радиоизотопными газотурбинными ЭУ замкнутого типа, имеющими в своем составе буферные аккумуляторные батареи, для пилотируемых маневрирующих (и особенно возвращаемых на Землю) космических кораблей при длительности полета до 30 суток. Это связано в первую очередь с тем, что ЭУ на основе ТЭ обеспечивает пилотируемый космический корабль не только электроэнергией, но и водой и кислородом для экипажа. Кроме того, ее работа не требует ориентации космического корабля или его отдельных элементов на Солнце и не зависит от его нахождения в тени Земли (Луны) или на участке выведения на околоземную орбиту и схода с нее.
ЭНЕРГОУСТАНОВКА ЛУННОГО ОРБИТАЛЬНОГО КОРАБЛЯ
В Советском Союзе работы по созданию космических ЭУ на основе водородно-кислородных ТЭ были начаты в РКК "Энергия" в 1967 году для лунного орбитального корабля (ЛОК) Лунной экспедиции.
Создание такой ЭУ было сложной научно-технической и производственно-технологической задачей, потребовавшей исследований и решения проблем в различных отраслях науки и техники: электрохимии, материаловедении, электротехники, теплофизики, криогенной техники, газодинамики, приборостроении, математическом моделировании и привлечении широкой кооперации в различных отраслях народного хозяйства.
Главной проблемой была разработка отечественных ТЭ и ЭХГ. К этой работе на конкурсной основе были привлечены все ведущие организации страны, имевшие лабораторный опыт создания топливных элементов: Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока (ВНИИТ) (в настоящее время НПО "Квант"); Кудиновский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (КФ ВНИИЭМ); Уральский электрохимический комбинат (УЭХК); Институт электрохимии АН СССР (ИЭЛ АН), Московский энергетический институт (МЭИ). Ряд учебных и научных институтов вели экспериментальные работы по ТЭ различного типа.
Трем первым организациям по единому техническому заданию на конкурсной основе была поставлена задача - создать в кратчайшие сроки ЭХГ для ЭУ ЛОК. С целью обеспечения сжатых сроков разработки ЭУ ЛОК головным разработчиком - РКК "Энергия" - было принято решение о разработке для тре
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.