Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Почти все известные разработки для космического применения относятся к нерегенеративным ЭХГ. В перспективе возможно соз­дание регенеративных систем, например по схеме солнечная бата­рея — электролизер — ЭХГ.

Нерегеиеративпые ЭХГ представляют интерес для полетов отно­сительно небольшой продолжительности при уровне мощности уста­новки в основном от одного до десятков киловатт. Для пилотируе­мых аппаратов применение водородно-кислородного ЭХГ дает до­полнительный выигрыш, устраняя необходимость иметь на борту запас воды для питья.

Впервые ЭХГ были применены на космических аппаратах «Дже — мини» и «Биосателлит». Это была батарея мощностью 2 кВт с по­

лимерными ионообменными мембранами в качестве электролита. Для работы в условиях невесомости была использована фитильная си­стема удаления образующейся воды, Водород и кислород храни­лись в сжиженном состоянии. Рабочая температура составляла 38°С, удельная масса 32 кг/кВт. На кораблях «Аполлон» (13 полетов па Луну) был установлен среднетемпературный ЭХГ фирмы «Пратт энд Уитни» (теперь «Юнайтед текнолоджиз корпорейшн» — наиболее мощной фирмы, занятой производством ЭХГ в США). Установка состояла из трех ЭХГ, один из которых—резервный. При плотно­стях тока 0,025—0,1 А/см2 напряжение одного ТЭ равнялось 1,1 — 0,9 В, соответственно мощность ЭХГ 0,56—1,42 кВт, а его масса

100 кг. Запас жидкого водорода и кислорода был рассчитан на 400 ч работы. Рабочая температура ЭХГ 200—260°С, давление га­зов 0,4—0,5 МПа, электролит — водный раствор КОН концентрации 85%, ЭХГ были отработаны на ресурс 1000 ч. Опубликованы сооб­щения также о более поздних работах по ЭХГ для космоса. Фирма начала разработку энергоустановки на основе водородно-кислород­ного ЭХГ мощностью 5 кВт (в пике 10 кВт), рассчитанной па ра­боту в течение 5000 ч [1.3]. Характеристика ТЭ приведена на рис. 1.3. Помимо батареи ТЭ ЭХГ включает блок очистки реагентов от примесей, в частности углеводородов, систему циркуляции реа­гентов, систему отвода воды и теплоты. Батарея ТЭ состоит из 32 ТЭ с активной поверхностью 450 см2. При испытаниях ТЭ реа­лизовалась характеристика /=0,1 А/см2 при 17=0,95 В и /= =0,3 А/см2 при (7=0,9 В.

Элементы различной конструкции были изготовлены в основном из стскловолокнистых материалов. Подробно изучалось влияние тем­пературы, плотности, тока, частоты продувок и степени очистки га­зов от примесей на характеристики ЭХГ. Для очистки кислорода от метана в количестве 5,5 -10—5% при 90—525°С и давлении р= =0ч-0,42 МПа использовались четыре типа катализаторов: 0,5% Rh; 0,5% Pd; 0,5% Pt; 10% Pt на A1203. Лучшие результаты полу­чены при использовании родия. При увеличении давления актив­ность катализаторов увеличивается. В ходе ресурсных испытаний через 610 ч вышел из строя насос циркуляции водорода, а через 750 ч в межэлектродном пространстве одного из ТЭ обнаружено выделение газа. Фирма продолжает работы по устранению обнару­женных недостатков.

Этой же фирмой разработан ЭХГ мощностью 2,5 кВт, предна­значенный для электропитания аэростата на высоте 21 км в течение 7 сут (168 ч), который включает батарею водородно-кислородных ТЭ, систему криогенного хранения и подачи реагентов (17 кг Н3
«Эйр рэсерч» — 0,76, однако система первой фирмы более дорогая. Емкость для образующейся воды имеет размеры 18Х60ХН5 см. Радиатор 120X220 см, разработанный фирмой «ЛТВ Эйроспейс», выполнен из алюминия толщиной 0,5 мм, имеет массу 10 кг и рас­считан на работу при скорости воздушного потока 8 м/с.

В отчете [1.4] приводятся результаты заключительного этапа исследований фирм (апрель 1972—-июль 1973 гг.) по совершенство­ванию ЭХГ, предназначенного для выполнения космической про­граммы «Шаттл». Работа выполнялась по договору с НАСА. Гене­ратор включает 34 ТЭ с асбестовым электролитоноентелеч толщи­ной 0,5 мм. Поверхность каждого ТЭ 470 см2, электроды акти­вированы катализатором, состоящим из 90% Pt и 10% Pd. За время работы проведен 31 испытательный цикл длительностью 7 дней, оощее время испытаний 5072 ч. При использовании специальных чистых реагентов продувка водорода в течение всего цикла вообще не проводилась, а кислород продувался 1 раз. Вода, образующаяся при работе батареи, оказалась высокой степени чистоты.

Модернизация водородного насоса позволила увеличить срок его службы до 10 000 ч. В отчете приводятся оптимальные размеры и конфигурация сепараторов и подложек электродов с точки зрения обеспечения необходимой механической прочности при поперечном сжатии. Проведенные исследования позволили также выбрать сече­ние, количество и распределение каналов подачи водорода, кислоро­да и хладоагента для обеспечения эффективной работы батареи. В ТЭ использованы золоченые сепараторы и подложки электродов, а нанесение активной массы осуществлялось на обе стороны под­ложки, что позволило более равномерно распределять катализатор и снизить количество Pd в нем до 10%. В результате заметно умень­шилась скорость растворения Pd и Ag. Одной из причин, лимити­рующих ресурс работы батареи, остается карбонизация электролита продуктами разложения конструкционных материалов, в частности на основе фторопластов.

Для программы НАСА «Шаттл» фирма «Дженерал электрик» разрабатывает усовершенствованный ЭХГ с ионообменными мембра­нами в качестве электролита. Этот ЭХГ ‘имеет рабочую температуру 82°С, что позволило повысить максимальную плотность тока с 0,04— 0,05 (при -+38°С) до 0,13—0,14 А/см2 и снизить удельную массу почти втрое — до 11,3 кг/кВт при мощности ЭХГ 5 кВт. При более высоких мощностях удельная масса уменьшится до 7,25 кг/кВт. В испытаниях достигнут ресурс ЭХГ до 11 000 ч.

Большой интерес представляет работа фирмы «Юнайтед текно — лоджиз корпорейшн» по авиационно-космическому ЭХГ кратковре­менного действия мощностью 400 кВт, рассчитанного на работу
в течение 2 мин при напряжении одного ТЭ 0,615 В и плотности тока 3,77 А/см2 (плотность мощности 2,32 Вт/см2). Каждый из семи ЭХГ установки при мощности 575 кВт имеет удельную массу 0,227 кг/кВт, Температура щелочного электролита 12ГС, давление 0,42 МПа. Экспериментально найдено, что при повышении рабочего давления до 0,63 МПа плотность тока может быть увеличена до 5.38 А/см2, что дает плотность мощности 3,23 Вт/см2. Эти данные в значительной мере меняют установившиеся представления о пре­дельно допустимых показателях водородно-кислородных ЭХГ.

Следует отметить, что НАСА заключила более 200 контрактов с промышленными организациями и университетами США на иссле­дование проблем, связанных с созданием ТЭ.

В отчете [1.5] приводятся результаты работ по созданию во­дородно-воздушного ЭХГ с циркулирующим электролитом (30%-ный КОН), проведенных фирмой «Пратт эпд Уитни» с февраля по но­ябрь 1970 г. Цель исследований — создание длительно работающего ЭХГ с эффективной очисткой электролита от накапливающихся кар­бонатов в электрохимических регенераторах. ЭХГ включает батарею ТЭ, регенератор, резервуар электролита, электролитный насос, теп­лообменник. Габариты ЭУ 45.Х30Х30 см, масса 14,5 кг. Мощность батареи из 22 ТЭ 425 Вт при токе 25 А; на собственные нужды расходуется 21 Вт. Один ТЭ с активной поверхностью 225 см2 про­работал 630 ч при /=0,1 А/см2 и t/=0,8 В. Для его устойчивой работы необходим трехкратный избыток воздуха по отношению к стехиометрическому. Удаление карбонатов, образующихся при взаимодействии воздуха с циркулирующим электролитом, осуществ­ляется в двух ЭХГ с аналогичными по конструкции ТЭ и имею­щими поверхность электродов 126 см2. При /= 0,2 А/см2 в регене­раторе протекает следующая суммарная реакция C03-fНгО=С02-4- — ф20Н~ и С02 удаляется в потоке воздуха.

Скорость удаления карбонатов в среднем составляет 1,1 мг/с, причем она возрастает с увеличением концентрации К2СО3 в элек­тролите и ростом температуры. Генератор испытывался в течение 130 ч, он отличается простотой обслуживания, отсутствием громозд­ких устройств для очистки от С02, незначительным содержанием карбонатов в ТЭ. В ходе дальнейших исследований фирма пред­полагает увеличить ресурс ЭХГ, улучшить его удельные характери­стики, а также повысить рабочую температуру за счет использова­ния более нагревостойких полимерных материалов.

Фирма «Аллис-Чалмерс» по контракту с ВВС США в 1966— 1970 гг. разрабатывала ЭУ на основе водородно-кислородного ЭХГ малой мощности (рис. 1.4), а также мощностью 2 и 5 кВт с капил­лярной мембраной для пилотируемых кос­мических кораблей. ЭХГ рассчитан на экс­плуатацию в течение 1500 ч, требуемая на­дежность 0,998, мощность 15 кВт, мас-

Рис. 1.4. Зависимость КПД Г| и стоимости S источников энергии от мощности Р.

—————— стоимость:—————— КПД: I — ЭХГ;

2 — дизель; /V — мощность при максимальном
КПД; Ps — мощность при минимальной стоимо-
сти; индексы «э» и «д> обозначают ЭХГ н ди-
зель соответственно.

Са 240 кг. Водородный электрод активирован Pt, кислородный—* Ag. Разработка нагревостойкой матрицы толщиной 0,5 мм позволи­ла повысить рабочую температуру ТЭ до 90—100°С. При этих усло­виях максимальная удельная мощность составила 0,2 Вт/см2, а но­минальная 0,1 Вт/см2 (0,1 А/см2 при £/=0,97 В). В ходе испытаний в течение 3100 ч батареи из 16 ТЭ средняя скорость снижения на­пряжения ТЭ составила 5,5 нВ/с. Помимо батареи ТЭ ЭХГ содер­жит систему хранения и подачи рабочих газов, систему удаления воды, систему контроля параметров батареи и автоматики. Этот ЭХГ успешно прошел испытания в условиях, имитирующих косми­ческие. Основное внимание уделяется изучению н внедрению новых материалов для изготовления конструктивных узлов (композиции на основе полисульфона), формированию матрицы электролитоно — сителя (титаната калия), активации электродов (сплавы, содержа­ние Au, Rh).

При работе ЭХГ использовались чистые реагенты (Н2 — 99,95%, 02— 99,98%), что существенно упростило их эксплуатацию и повы­сило стабильность работы. На основании полученных результатов прогнозируется создание ЭХГ с высокими удельными характеристи­ками и сроком службы несколько тысяч часов.

Анализ зависимости КПД и стоимости приведен на рис. 1.4.

Комментарии запрещены.