СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВАКУУМЕ
OPERATING METHOD OF ELECTROCHEMICAL GENERATOR ON BASIS OF HYDROGEN-OXYGEN FUEL ELEMENTS IN VACUUM

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может использоваться в космических системах электропитания, работающих на базе водородно-кислородных электрохимических генераторов (ЭХГ).
Автономная энергоустановка с ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов включает в себя систему удаления реакционной воды и систему охлаждения топливных элементов (ТЭ), поскольку примерно половина химической энергии кислорода и водорода выделяется в ТЭ в виде тепла. Это тепло выносится из ТЭ потоком теплоносителя и затем сбрасывается в окружающую среду, для чего используются газожидкостные теплообменники, обдуваемые потоком воздуха. Так, например, работают ЭХГ в электроавтомобилях и наземных энергоустановках на ТЭ (патент RU №2219075, 20.12.2003, МПК В60К 8/00 (2006.01)). Это техническое решение может использоваться в качестве аналога предлагаемому.
Недостатком такого способа эксплуатации ЭХГ является невозможность применить его в вакууме, например в космосе, в том числе на борту космических аппаратов (КА). Даже если внутри КА есть атмосфера, небольшое общее количество газа внутри КА не позволяет сбрасывать в него тепло во избежание перегрева аппарата. Так возникает проблема охлаждения ЭХГ на борту КА.
Техническим решением, свободным от этого недостатка, является способ эксплуатации ЭХГ на борту пилотируемых КА НАСА (например, Space Shuttle). Здесь для охлаждения ЭХГ используется бортовая система охлаждения самого аппарата. Жидкая реакционная вода, получающаяся при охлаждении рабочих газов, удаляется их ЭХГ и направляется в систему хранения воды КА. Собственная система охлаждения ЭХГ при этом имеет простейшую конструкцию и минимальную массу, что повышает удельные энергетические характеристики ЭХГ как массовые, так и объемные («Электрохимические генераторы» Н.В.Коровин, Москва, Энергия, 1974 г., стр.135). Данный способ принят за прототип.
Недостатком прототипа является дополнительная тепловая нагрузка, которую получает внешняя система охлаждения (например, бортовая система охлаждения КА). В космосе, где проблема теплоотвода стоит достаточно остро, тепло, выделяемое ЭХГ, требует использования более мощных, а следовательно, более габаритных и массовых бортовых инфракрасных излучателей. При этом работа ЭХГ зависит от работы внешней системы (например, систем охлаждения КА).
Задача настоящего технического решения - разработать способ эксплуатации ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов в вакууме, позволяющий снизить дополнительную тепловую нагрузку, выдаваемую генератором во внешнюю систему охлаждения, и тем самым сделать работу ЭХГ в этих условиях (в вакууме) более автономной.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы ЭХГ и возможность реализации автономных режимов работы, то есть работы ЭХГ в режиме самоохлаждения.
Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации электрохимического генератора в вакууме, включающем охлаждение электрохимического генератора теплоносителем от внешней системы охлаждения и удаление из электрохимического генератора жидкой реакционной воды, удаление жидкой реакционной воды из электрохимического генератора производят, размещая ее в вакууме, а теплоноситель после выхода из электрохимического генератора дополнительно охлаждают, пропуская его через жидкую реакционную воду, размещенную в вакууме.
Суть предлагаемого изобретения заключается в использовании вакуума для испарения жидкой реакционной воды, образующейся при работе ЭХГ. При этом несмотря на то, что в вакууме испарение воды происходит без нагревания, процесс является эндотермическим, (то есть идет с поглощением тепла), поскольку теплота испарения жидкости определяется только энергией ее межмолекулярных связей. В результате вода, помещенная в вакуум, охлаждается, и ее можно использовать для дополнительного охлаждения теплоносителя на выходе ЭХГ. Тем самым можно снизить тепловую нагрузку, которая передается во внешнюю систему охлаждения.
Э
Э
Для пояснения сущности изобретения представлена таблица, в которой приведены характеристики режима работы ЭХГ при N=10 кВт (N - электрическая мощность генератора).
Предварительная оценка эффективности такого способа показывает, что при «электрическом» КПД ЭХГ ~50% таким образом можно «отвести» от ЭХГ ~30% генерируемого им тепла, при КПД=60% - примерно половину, а в перспективе (при КПД ~75%) - до 90% тепла.
Оценка эффективности режима самоохлаждения, например для ЭХГ «Фотон», производится следующим образом.
Если не учитывать энергозатраты на собственные нужды, тепловая мощность ЭХГ (Nт) определяется соотношением:
Э
Э
где N и η - соответственно электрические мощность и КПД генератора.
Т
При этом «тепловой» КПД генератора (η) составляет:
2
Значения этих коэффициентов зависит от основной характеристики ЭХГ - удельного расхода водорода , определяющего количество водорода (Н), необходимого для выработки единицы электроэнергии, например для ЭХГ «Фотон» .
Таким образом, расход водорода , потребляемого ЭХГ, определяет как электроэнергию, так и тепловую мощность генератора
Кроме того, этот расход определяет также производительность ЭХГ поводе :
ИСП
а следовательно, и мощность, которую можно отвести от генератора за счет испарения реакционной воды в вакуум (N):
ИСП.
где Q≈2300 кДж/кг - удельная теплота испарения воды.
ИСП
Т
Из (1), (3), (4), (5) получается простое соотношение для величины К=N/N, представляющей собой ту часть тепла ЭХГ, которая уносится его реакционной водой:
Э
Для иллюстрации целесообразности работы ЭХГ в режиме самоохлаждения для ЭХГ «Фотон» мощностью N=10 кВт даются оценочные значения энергетических характеристик такого режима (см. таблицу).
Как видно из таблицы, 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 в перспективе при совершенствовании существующих генераторов. Условием полного охлаждения является (К=1), откуда с учетом (6) получаем:
Э
Если учесть, что η и  связаны соотношением:
СГ
где Q - низкая теплота сгорания водорода (~120 МДж/кг),
получим условие полного самоохлаждения ЭХГ:
Осуществляется данный способ следующим образом. При работе ЭХГ из газов (водорода и кислорода), попадающих в ТЭ, получается жидкая реакционная вода, которую удаляют из ЭХГ и размещают в вакууме. Здесь она начинает испаряться, что приводит к ее охлаждению и возможно замерзанию поверхностного слоя.
Теплоноситель, охлаждающий ЭХГ и имеющий тепловой контакт с внешней системой охлаждения, после выхода из ЭХГ пропускают через эту воду, в результате чего он охлаждается и количество тепла, «выносимого» в бортовую систему охлаждения, снижается.
При этом в стационарном режиме тепло, унесенное испарившейся водой, соответствует энергии, затраченной внешней системой охлаждения на конденсацию воды (см. таблицу).
Таким образом, предлагаемое решение создает предпосылки для более автономного использования ЭХГ в условиях вакуума, например на борту КА.
Характеристики режима работы ЭХГ при N<sub>Э</sub>=10 кВт
η<sub>Э</sub>, %
η<sub>Т</sub>, %
N<sub>Т</sub>, кВт
N<sub>ИСП</sub>, кВт
K=N<sub>ИСП</sub>/N<sub>T</sub>, %
50
50
10
3
~30
60
40
6,6
3
~50
70
30
7,2
3
~70
75
75
3,3
3
~90