RU2516534C2

RU2516534C2 - Regenerative electrochemical power supply system of manned space vehicle with water-closed work cycle and method of system operation

Info

Publication number: RU2516534C2
Application number: RU2012134992/07A
Authority: RU
Inventors: Игорь Николаевич Глухих
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2014-05-20
Also published as: RU2012134992A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: regenerative electrochemical power supply system of a manned space vehicle with water-closed work cycle includes a water electrolyser and an oxygen-hydrogen generator interconnected hydraulically through a water collection tank and interconnected pneumatically with hydrogen and oxygen storage cylinders, the latter of which is connected to the space vehicle life support system by an air-pressure line with a gate, a metal-hydrogen accumulator having a union for hydrogen through which it is connected to the hydrogen storage cylinder by an air-pressure line with a gate. The operating method of the above system includes a closed cycle of water decomposition by current into hydrogen and oxygen, stoichiometric compounding of these gases with production of electricity and water and off-take of oxygen from this cycle, excess of hydrogen is used as a reagent in the metal-hydrogen accumulator which is charged preliminary with removal of hydrogen formed in it during charging.

EFFECT: maintenance of energy intensity, disposal of excess hydrogen, increase of the system safety.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может использоваться при разработке систем энергоснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) и напланетных станций.The invention relates to energy and can be used in the development of energy supply systems (SES) of spacecraft (SC) and planetary stations.

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:Regenerative electrochemical systems with a water-closed duty cycle are well known (in particular, energy accumulators with a hydrogen (water) cycle - AEC). Their main elements are a water electrolyzer (EV) and an oxygen-hydrogen electrochemical generator (ECG), combined by common reagent storage means:

- баллонами хранения водорода (БХВ) и кислорода (БХК);- cylinders for storage of hydrogen (BHV) and oxygen (BHK);

- резервуаром сбора воды (РСВ).- a water collection tank (RSV).

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).An electrolyzer connected to a primary energy source (for example, a solar battery), decomposes a current of water into hydrogen and oxygen, which serve as working gases for ECG. The water generated during the operation of the latter, in turn, serves to power the EV. The volumes of BHV and BHK in such a system are selected corresponding to the stoichiometric ratio of these gases in the water decomposition reaction (2: 1) - this ensures a minimum load on the EV membrane (US 20100055512 A1, 2010-03-04, IPC: B64C 3/14 (2006.01) B64D 27/02 (2006.01), C25B 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.Its disadvantage from the point of view of manned space exploration is the complete isolation of all reagents, especially oxygen. It is impossible to obtain oxygen from such a SES for afterburning even in an emergency, despite its presence onboard the spacecraft.

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.In this regard, in the adopted (both for the device and the method) prototype (“Installation of high-pressure water with electrolyzers for the lunar base”, Izvestia RAS, Energy, No. 3, 2007, p. 35-45, Akademizdat- Center, Nauka, RAS) AECC-type space systems provide for additional BHC communication with the life support system (coolant) of manned spacecraft and space stations. This connection (pneumatic line with a locking element connecting the BHK SES and the coolant of the spacecraft), which is used in emergency situations to save the crew, is the only fundamental difference between the prototype and the technical solution adopted for the analogue. Nevertheless, this feature of space SES of this type is vital. According to the selected prototype, the regenerative electrochemical power supply system for a manned spacecraft with a closed water cycle includes a water electrolyzer and an oxygen-hydrogen electrochemical generator hydraulically connected to each other through a water collection tank and pneumatically communicating with common hydrogen and oxygen storage cylinders, the last of which which has a smaller volume than the hydrogen storage cylinder and is connected to the spacecraft life support system pnevmomagistralyu with the locking member. A method of operating a regenerative electrochemical power supply system for a manned spacecraft with a water-closed working cycle involves performing a closed cycle of water decomposition reactions with a current into hydrogen and oxygen, as well as subsequent stoichiometric connection of these gases to produce electricity and water in a normal situation and with the selection of oxygen from this cycle - in an emergency.

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.At the same time, the selection of oxygen leads to an imbalance of the reagents in the SES and reduces its energy intensity, so a situation is possible when you have to make a choice between “breathing and energy supply”. In addition, an excess of hydrogen remains in the system, which increases the pressure drop across the EV membrane. This creates additional technical problems “reduces the level of security.

Задача данного изобретения - исключить такую ситуацию, то есть компенсировать снижение энергии СЭС, вызванное аварийным отбором кислорода, и утилизировать избыточный водород, остающийся в системе.The objective of this invention is to eliminate this situation, that is, to compensate for the decrease in SES energy caused by emergency oxygen extraction, and to utilize the excess hydrogen remaining in the system.

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

- сохранение энергоемкости СЭС в нештатной ситуации;- conservation of power consumption of SES in an emergency;

- утилизация избыточного водорода на борту КА;- Utilization of excess hydrogen on board the spacecraft;

- повышение безопасности системы.- increase system security.

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.The technical result is achieved by the fact that in the regenerative electrochemical SES of a manned spacecraft with a closed water duty cycle, which includes EV and oxygen-hydrogen ECG, hydraulically connected to each other through RSV and pneumatically communicating with the common BHV and BHK, the last of which has twice smaller volume than BHV and connected to the spacecraft coolant via a pneumatic line with a shut-off element; an additional metal-hydrogen accumulator (MVA) is introduced, which has a nozzle for hydrogen through which it is connected to a BHV pneumatic line with a lock ny element.

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.The technical result is also achieved by the fact that in the method of operating this SES, including conducting a closed cycle of electrochemical reactions, consisting of decomposition of water by a current into hydrogen and oxygen and subsequent stoichiometric connection of these gases to produce electricity and water in a normal situation, as well as the selection of oxygen from this cycle in an emergency, after the selection of oxygen, the resulting excess hydrogen is used as a reagent in the MBA, which is pre-charged, removing from the battery forming ysya with hydrogen.

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).The invention is illustrated by the diagram in figure 1, which gives a schematic diagram of the proposed SES. Here, the input hydraulic line (12) of the EV (1) and the output hydraulic line (13) of the ECG (2) are connected to a common RSV (3).

Выходные пневмомагистрали ЭВ (1) по водороду (14) и кислороду (15) соединены соответственно с БХВ (4) и БХК (5).The output pneumatic lines of EV (1) along hydrogen (14) and oxygen (15) are connected respectively to BHV (4) and BHK (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).The corresponding input pneumatic lines (16) and (17) ECG (2) are connected to the same cylinders. BHK (5) is connected by a pneumatic line (6) to the coolant (not shown in Fig. 1). SES and coolant are separated by a locking element (7) installed on the highway (6).

БХВ (4) имеет выходную пневмомагистраль (8) с запорным элементом (9), которая соединена с водородным штуцером (10) MB А (11).BHV (4) has an output pneumatic line (8) with a locking element (9), which is connected to a hydrogen fitting (10) MB A (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).SES works as follows. In a normal situation, the locking elements (7) and (9) on the pneumatic lines (6) and (8) are closed. Working components (H ₂ O, H ₂ , O ₂ ) circulate in a closed cycle between EV (1) and ECG (2) through, respectively, RSV (3), BHV (4) and BHK (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).In an emergency situation, when additional oxygen is required for the crew, the shut-off element (7) is opened, and gas from the BHC (5) is supplied to the SC coolant. After that, the ratio of working gases in the SES no longer meets the needs of the ECG system (2), and excess hydrogen can be used in MB A (11). To do this, open the shutoff element (9) on the line (8), and hydrogen from BHV (4) through the fitting (10) enters MB A (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.The essence of the proposal is that an additional oxidizing agent - metal hydroxide, capable of entering into an electrochemical reaction with hydrogen is added to the working reagents of the "water" SES (H ₂ O, H ₂ , O ₂ ). As a chemical reactor for carrying out this reaction, a modified MB A having a hydrogen nozzle is used. In it, the metal hydroxide is “preoxidized” in advance to the state in which it is in a charged MBA.

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:In practice, a charged MBA is used, from which the bulk of the hydrogen is released. This is done in advance, before the start of operation of the SES, for example, before the launch of the spacecraft. Compared with a standard sealed metal-hydrogen battery (for example, patent RU 2046463 C1, (2006.01), 10.20.1995) its use in the proposed system has certain advantages, in particular:

- аккумулятор может иметь большой запас гидроокиси металла (то есть энергоемкость) при небольших массогабаритных характеристиках, а его рабочее давление может быть сравнительно невысоким;- the battery can have a large supply of metal hydroxide (that is, energy intensity) with small mass and size characteristics, and its working pressure can be relatively low;

- раздельное хранение гидроокиси и водорода существенно снижает саморазряд МВА (это высокий показатель является характерным недостатком герметичного МВА).- separate storage of hydroxide and hydrogen significantly reduces the self-discharge of MBA (this high indicator is a characteristic disadvantage of pressurized MBA).

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.Thus, the proposed technical solution allows you to save energy in the SES, despite the selection of oxygen from it in an emergency, that is, it makes it possible to better adapt the AECC for the conditions of a person in space.

Claims

1. A regenerative electrochemical power supply system for a manned spacecraft with a water-closed working cycle, including a water electrolyzer and an oxygen-hydrogen electrochemical generator, hydraulically connected to each other through a water collection tank and pneumatically communicating with common hydrogen and oxygen storage cylinders, the last of which which has a smaller volume than the hydrogen storage cylinder and is connected to the spacecraft life support system via a pneumatic main with nym element, characterized in that it introduced metal-hydrogen battery having a fitting for hydrogen, through which it is connected to the hydrogen storage tank pnevmomagistralyu with the locking member.

2. A method of operating a regenerative electrochemical power supply system for a manned spacecraft with a water-closed working cycle, including the implementation of a closed cycle of water decomposition reactions with hydrogen and oxygen current, as well as subsequent stoichiometric connection of these gases to produce electricity and water in a normal situation and with selection from of this oxygen cycle - in an emergency, characterized in that after the selection of oxygen the excess hydrogen formed in the system is used as a reagent a metal-hydrogen battery which was previously charged by removing therefrom formed with hydrogen.