ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ВОДЯНОЙ НАСОС
ELECTROCHEMICAL WATER PUMP

Изобретение относится к насосной технике и может применяться при создании систем водоснабжения и силовых гидравлических установок, в том числе малогабаритных гидросистем высокого давления для космических аппаратов (КА).
В качестве аналога предлагаемого технического решения в принципе можно рассматривать любой из существующих типов водяных насосов (в частности вибрационный насос), недостатком которых является наличие в них подвижных элементов, снижающих их ресурс (в вибрационных насосах это мембрана). По принципу действия, однако, для аналога больше подходит электрохимический водородный компрессор (ЭВК), не имеющий подвижных деталей (US 6068673, 30.05.2000, МГЖ: B01J 7/00 (2006.01); C01B 3/38 (2006.01); C01B 3/50 (2006.01); Н01М8/06 (2006.01)). Он представляет собой обращенный топливный элемент (ТЭ), в котором под действием электрического напряжения идет перенос водорода через твердополимерную (ТП) мембрану из анодной полости в катодную, где создается повышенное давление водорода.
Недостатком ЭВК является его неспособность перекачивать воду, хотя ТП мембрана вместе с водородом способна пропускать также и воду, как это происходит в ТП электролизных ячейках (ЭЯ).
Более близким (как по принципу действия, так и по составу) к предлагаемому решению, является аккумулятор энергии с водяным (водородным) циклом (АЭВЦ), который представляет собой регенеративную электрохимическую систему для накопления и хранения электроэнергии на основе ТП ЭЯ и ТЭ (US20100055512A1, 2010-03-04, МПК: B64C 3/14 (2006.01), B64D 27/02 (2006.01), C25B 1/00 (2006.01)). Регенеративная электрохимическая система типа АЭВЦ (электрохимический водяной насос) содержит твердополимерные электролизные ячейки и топливные элементы, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды, который имеет входной штуцер для воды, газоотделители водорода и кислорода, гидравлически связанные с соответствующими полостями электролизных ячеек, а пневматически - с соответствующими полостями топливных элементов, при этом газоотделитель кислорода гидравлически сообщается с резервуаром сбора воды.
Электроэнергия, поступающая в АЭВЦ, используется в ЭЯ для разложения воды током на водород и кислород, которые накапливаются в соответствующих блоках хранения (например, баллонах) и в нужный момент используются в качестве рабочих газов для ТЭ.
Недостатком прототипа является то, что он как водяной насос имеет крайне высокий удельный расход энергии на перекачку воды, поскольку одновременно идет разложение воды на электролизные газы. Энергия, затрачиваемая на перекачку воды через мембрану ЭЯ, примерно на два порядка больше величины, характерной для обычных насосов высокого давления. По этой причине ни высокое рабочее давление, ни отсутствие подвижных частей не могут служить аргументом для практического использования ТП ЭЯ в качестве электрохимического водяного насоса (ЭВН), по аналогии с ЭВК.
Кроме того, в АЭВЦ используются блоки для хранения электролизных газов (водорода и кислорода), которые при любом способе хранения (баллоны, интерметаллиды и пр.) имеют большие массо-габаритные характеристики (МГХ).
Задача данного технического решения - разработать принципиальную схему ЭВН высокого давления, не имеющего подвижных деталей, с минимальными МГХ и минимальным удельным расходом энергии на перекачку воды.
Техническим результатом предложения является:
- снижение МГХ ЭВН;
- уменьшение удельного расхода энергии на перекачку воды;
- повышение производительности ЭВН.
Технический результат достигается тем, что электрохимический водяной насос содержит твердополимерные электролизные ячейки и топливные элементы, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды, который имеет входной штуцер для воды, газоотделители водорода и кислорода, гидравлически связанные с соответствующими полостями электролизных ячеек, а пневматически - с соответствующими полостями топливных элементов, при этом газоотделитель кислорода гидравлически сообщается с резервуаром сбора воды, газоотделитель водорода снабжен выходным штуцером для воды, а электролизные ячейки и топливные элементы соединены силовой электрической связью.
Схема предлагаемого ЭВН представлена на фиг.1. Здесь основной агрегат устройства - батарея твердополимерных ЭЯ (1) своими выходными магистралями по водороду (2) и по кислороду (3) соединены с соответствующими газоотделителями (4) и (5). Кислородный газоотделитель (5) своей выходной пневмомагистралью (11) подключен к соответствующей полости батареи ТЭ (13), а выходной гидромагистралью (7) - к резервуару сбора воды (РСВ) (8), который снабжен входным штуцером для воды (10), а выходной гидромагистралью (9) подсоединен к кислородной полости батареи ЭЯ (1). Водородный газоотделитель (4) снабжен выходным штуцером для воды (6), а выходной пневмомагистралью (12) подключен к соответствующей полости батареи ТЭ (13). Выходная гидромагистраль последней (14) соединена с РСВ (8).
Батареи ТЭ (13) и ЭЯ (1) связаны друг с другом силовой электролинией (15), возвращающей в ЭЯ (1) электроэнергию, затраченную там, на разложение воды.
Работает ЭВН следующим образом. Порция воды, предназначенная для перекачки через штуцер (10), заливается в РСВ (8), откуда поступает по магистрали (9) в кислородную полость батареи ЭЯ (1). Подача воды из РСВ (8) в ЭЯ (1) может осуществляться либо дополнительным насосом (на фиг.1 не показан), либо в ходе циркуляции воды в режиме «газ-лифт» по замкнутому контуру [ЭЯ (1) - магистраль (3) - газоотделитель кислорода (5) - магистраль (7) - РСВ (8) - магистраль (9) - ЭЯ (1)]. В обоих случаях реализуется анодная система водоснабжения ЭЯ. В процессе электролиза в ЭЯ (1) происходит частичное разложение воды на газы, а часть воды вместе с ионами водорода переходит из анодной (кислородной) полости ЭЯ в их катодную (водородную) полость, где образуется молекулярный водород. Водородо-водная смесь из катодной полости ЭЯ (1) по магистрали (2) поступает в газоотделитель водорода (4), где вода, перекачанная через мембрану ЭЯ (1), накапливается, а водород по пневмомагистрали (12) подается в ТЭ (13), где реагирует с кислородом, поступившим из газоотделителя кислорода (5) по пневмомагистрали (11). В результате электрохимической реакции в ТЭ (13) образуется вода, которая по гидромагистрали (14) перетекает в РСВ (8) и электроэнергия, которая по электролинии (15) передается в ЭЯ (1). Выдача воды происходит через штуцер (6).
Тем самым компенсируются основные энергозатраты на электролиз воды в ЭЯ (1).
Компенсация энергозатрат, однако, не является полной, поскольку существуют потери энергии на всех стадиях процесса (главным образом, это тепловые потери). Кроме того, величина «недокомпенсированной» энергии в первом приближении определяется разностью КПД ЭЯ (70÷85%) и ТЭ (50÷65%), то есть существенно зависит от эффективности каждого из этих агрегатов, и именно эта величина определяет удельные энергозатраты ЭВН на перекачку воды.
Суть данного предложения - использовать протонопроводящую мембрану не для переноса водорода (как в ЭВК), а для переноса воды. В ТП ЭЯ это происходит вместе с переносом через мембрану протонов Н*. В отличие от прототипа (ЭВК), где водород извлекается из газовой смеси, в ЭВН водород извлекается из воды после ее частичного разложения током. Протоны же, диффундируя через мембрану, «тащат» за собой по нескольку молекул воды, то есть в принципе такая мембрана больше проводит воды, чем водорода. Это, в частности, подтвердилось при испытаниях ТП электролизера в РКК «Энергия». Оказалось, что перенос воды через мембрану по расходу примерно в три раза больше, чем переработка воды в газы. При этом, как и в ЭВК, перенос может происходить с повышением давления до значительного уровня.
2
2
2
Высокие энергозатраты на транспортировку воды через мембрану ЭЯ почти полностью компенсируются возвратом в систему (в виде электричества) химической энергии, выделяющейся при обратной реакции синтеза воды (H+O→HO). Для этого, как и в АЭВЦ, используются ТЭ, которые генерируют электроэнергию и воду для работы ЭЯ. Таким образом, ЭВН - это по сути АЭВЦ без блоков хранения водорода и кислорода, с разомкнутым циклом по воде, но с прямой электрической (силовой) связью между ЭЯ и ТЭ.
Отсутствие баллонов в составе ЭВН позволяет кардинально снизить его МГХ, например, выполнять его в виде плоской конструкции с большой площадью мембраны и соответственно большой производительностью либо в виде компактного моноблока с высоким рабочим давлением.
Кроме того, в качестве ЭВН можно использовать стандартный АЭВЦ, если не задействовать его блоки хранения газов, а выходное напряжение ЭХГ использовать для питания электролизера. Таким образом, после небольшой доработки схемы АЭВЦ при необходимости сможет выполнять роль насоса воды высокого давления.
2
3
Компенсация же основных энергозатрат ЭЯ за счет работы ТЭ позволяет на порядок снизить удельные энергозатраты на перекачку воды через мембрану ЭЯ и приблизить эту характеристику ЭВН к аналогичному показателю, характерному для обычных механических насосов высокого давления (~10÷10 Вт·ч/л воды). При этом давление воды на выходе ЭВН (так же, как и в ЭВК) может достигать сотен атмосфер.
Перечисленные обстоятельства придают целесообразность практической разработке ЭВН особенно в перспективных космических системах.