×
25.08.2017
217.015.b52b

Результат интеллектуальной деятельности: Электрохимический генератор

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002614242
Дата охранного документа
24.03.2017
Аннотация: Изобретение относится к электрохимии, точнее к энергоустановкам с электрохимическими генераторами (ЭХГ). Электрохимический генератор включает батарею топливных элементов и ее систему охлаждения с контуром циркуляции жидкого теплоносителя, включающим охлаждающий теплообменник, установленный на выходе этой системы, и электрический насос. Электрический насос установлен на ее входе и электрически связан с батарей топливных элементов. В контур циркуляции жидкого теплоносителя дополнительно введены газовая турбина с электрогенератором, а также газожидкостный эжектор и подключенный к его выходу газожидкостный сепаратор, установленные на входе охлаждающего теплообменника. Жидкостная полость сепаратора соединена со входом этого теплообменника, а газовая полость сепаратора - со входом газовой турбины, выход которой подключен к газовому входу эжектора. Изобретение позволяет повысить эффективность ЭХГ, особенно, если его мощность значительна. 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к электрохимии, точнее к энергоустановкам с электрохимическими генераторами (ЭХГ), и может использоваться при разработке систем электроснабжения космических аппаратов (КА) на основе ЭХГ.

Несмотря на сравнительно высокую стоимость, такие агрегаты находят применение (хотя и ограниченное) на транспорте и в сетях распределенного электроснабжения, работают вместе с возобновляемыми источниками энергии. Наиболее оправданным (и технически, и экономически) является, однако, использование ЭХГ в космосе. Здесь применяются низкотемпературные генераторы щелочного и твердополимерного типов с рабочей температурой около 100°С. Твердополимерный генератор использовался, например, на КА «Space Shuttle», щелочной ЭХГ был разработан для корабля «Буран», использовался ранее на борту «Ароllо» (С.А. Худяков «Космические энергоустановки», М.: Знание, 1984 г., стр. 15, серия «Космонавтика, астрономия»). Существует также перспектива использования ЭХГ для лунной базы (Глухих И.Н. и др. «Обеспечение лунной базы электроэнергией, теплом, водородом и кислородом на основе солнечных батарей и аккумулятора энергии с водородным циклом». Изв. РАН, журнал Энергетика, №3, 2007 г., стр. 35-56, а также Изв. РАН, журнал Энергетика, №1, 2009 г., стр. 19-26). Во всех этих случаях для охлаждения ЭХГ используется система охлаждения КА, которая в свою очередь сбрасывает это тепло в окружающее пространство.

В качестве аналога данному предложению может служить любой из бортовых ЭХГ, независимо от его типа. Их общим недостатком является необходимость сброса генерируемого ими тепла в бортовую систему охлаждения КА. При значительной мощности генератора этого тепла достаточно много, поскольку КПД существующих низкотемпературных ЭХГ не превышает 50%. Такая дополнительная тепловая нагрузка на систему охлаждения КА, особенно низкотемпературное тепло ЭХГ, требует существенного увеличения массогабаритных параметров ее тепловых панелей-излучателей.

Более близким к данному предложению является схема бортового ЭХГ с «самоохлаждением», принятого за прототип, и описанная в статье «Повышение эффективности кислородо-водородного ЭХГ космического назначения», авторы: Глухих И.Н., Челяев В.Ф., Щербаков А.Н., Изв. РАН, журнал «Энергетика» №5, 2014 г., с. 87-91. Электрохимический генератор содержит батарею топливных элементов и ее систему охлаждения с контуром циркуляции жидкого теплоносителя, включающим охлаждающий теплообменник (теплообменник - сублиматор), установленный на выходе этой системы охлаждения, и электрический насос, установленный на ее входе и электрически связанный с батарей топливных элементов. В данном устройстве значительная часть тепла сбрасывается не в систему охлаждения КА, а в окружающее пространство, что достигается за счет испарения в вакуум реакционной воды ЭХГ. В данной схеме эта вода сначала, как обычно, конденсируется с помощью системы охлаждения КА. Затем полученная жидкость начинает циркулировать по дополнительному собственному контуру охлаждения генератора, включающему сублиматор, «открытый» в вакуум. Здесь, при испарении воды (или льда) в вакуум, происходит охлаждение оставшейся жидкости, циркулирующей в контуре. В результате потребление «холода» от системы охлаждения КА сокращается. Циркуляция воды в собственном контуре охлаждения ЭХГ стимулируется при этом насосом, подключенным к самому генератору (точнее, к батарее топливных элементов); таким образом, генератор сам себя охлаждает. Это привносит в систему отрицательную обратную связь, что, как известно из теории управления, повышает устойчивость системы. Недостатком прототипа является потеря воды, что в условиях космического полета, особенно пилотируемого, нежелательно. Кроме того, при достигнутом в настоящее время КПД ЭХГ (до 50%), такая схема не обеспечивает полной утилизации тепла, выделяемого ЭХГ. В конечном счете тепло электрохимической реакции, как и прежде, не используется для выработки дополнительной электроэнергии.

Задачей настоящего предложения является повышение электрического КПД низкотемпературного ЭХГ за счет тепла, которое он вырабатывает. Следует отметить, что утилизировать низкопотенциальное тепло всегда сложнее, чем высокотемпературное.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности ЭХГ, особенно, если его мощность значительна (от нескольких киловатт до нескольких десятков киловатт).

Технический результат достигается за счет того, что в электрохимическом генераторе, включающем батарею топливных элементов и ее систему охлаждения с контуром циркуляции жидкого теплоносителя, в состав которого входит охлаждающий теплообменник, установленный на выходе этой системы, и электрический насос, установленный на ее входе и электрически связанный с батареей топливных элементов, в контур циркуляции жидкого теплоносителя дополнительно введены газовая турбина с электрогенератором, а также газожидкостный эжектор и подключенный к его выходу газожидкостный сепаратор, установленные на входе охлаждающего теплообменника, при этом жидкостная полость сепаратора соединена со входом этого теплообменника, а газовая полость сепаратора - со входом газовой турбины, выход которой подключен к газовому входу эжектора.

Суть предложения в том, что тепло электрохимической реакции утилизируется за счет электроэнергии, вырабатываемой в этой же реакции, т.е. работа системы охлаждения БТЭ поддерживается самой батареей. При этом количество электроэнергии, выработанной при утилизации тепла, будет больше, чем электроэнергии, затраченной на это. Основные энергозатраты идут в этом случае на работу побудителя расхода теплоносителя (насоса), который по сути дела является электромеханическим приводом собственной системы охлаждения БТЭ. Он же задает режим работы турбины, при этом часть электроэнергии, поступающей от БТЭ, расходуется также и на все другие нужды системы охлаждения батареи, включая потери энергии в ее элементах. Предлагаемое устройство является в сущности низкотемпературной гибридной энергоустановкой для преобразования химической энергии водорода в электроэнергию. При этом, несмотря на то, что КПД турбины при (низких) рабочих температурах твердополимерного или щелочного ЭХГ будет сравнительно небольшим, общая эффективность установки будет выше, чем у обычного ЭХГ, поскольку генерируемое им тепло не отводится из генератора полностью, а частично преобразуется в электричество в системе охлаждения БТЭ. При этом энергопотребление самой этой системы должно быть достаточно малым, т.е. КПД ее элементов - достаточно высоким. Несложные оценки позволяют показать, что электрический КПД предлагаемого ЭХГ будет больше КПД БТЭ, при условии, что насос системы охлаждения БТЭ будет потреблять часть (х) электроэнергии, производимой батареей, не более чем

при этом превышение к КПД ЭХГ над КПД БТЭ будет определяться выражением:

где kтэ - КПД БТЭ; kт - КПД турбины; kн - КПД насоса; kэг - КПД электрогенератора.

Здесь учитывается, что преобразование энергии, передаваемой из БТЭ в контур ее системы охлаждения, происходит по цепочкам:

тепловая энергия - «БТЭ - турбина - электрогенератор»;

электроэнергия - «БТЭ - насос - турбина - электрогенератор».

В частности, для типичных значений КПД агрегатов, входящих в схему генератора, а именно:

kтэ=0,5 (низкотемпературные ЭХГ);

kн=0,6 (поршневые насосы);

kт=0,3 (газовые турбины мощностью несколько киловатт);

kэг=0,8 (электрогенераторы примерно такой же мощности),

оценка по соотношению (2) дает величину около 7-10% при энергопотреблении насоса х=0,05-0,1 (т.е. 5-10%). Таким образом, КПД ЭХГ со «встроенной» газовой турбиной может сравниться с КПД лучших парогазовых установок (около 60%).

Конструкция предлагаемого устройства поясняется схемой на фиг. 1, где обозначено: 1 - батарея топливных элементов (БТЭ); 2 - система охлаждения БТЭ; 3 - насос; 4 - охлаждающий теплообменник; 5 - газожидкостный эжектор (ГЖЭ); 6 - газожидкостный сепаратор (ГЖС); 7 - газовая турбина; 8 - электрогенератор.

Система охлаждения (2) БТЭ (1) входит в замкнутый контур циркуляции жидкого теплоносителя, который включает в себя также охлаждающий теплообменник (4), вход которого гидравлически связан с жидкостной полостью ГЖС (6), а выход подключен ко входу насоса (3), электрически связанного с БТЭ (1) и подключенного к системе охлаждения (2). Вход ГЖС (6) подключен к выходу ГЖЭ (5). Вход последнего по жидкости соединен с выходом системы охлаждения (2), а вход по газу - с выходом турбины (7), которая своим входом соединяется с газовой полостью ГЖС (6). Турбина (7) приводит в действие электрогенератор (8), механически с ней связанный (например, размещенный на ее оси).

Работает устройство следующим образом. Тепло, выделяемое батареей топливных элементов (1), нагревает жидкий теплоноситель в системе охлаждения (2). При этом испарения жидкости не происходит - это не допускается технологией эксплуатации низкотемпературных ЭХГ. В частности, если теплоносителем служит вода, это условие обеспечивается автоматически, поскольку рабочие температуры низкотемпературных генераторов не превышают 100°С.

Из системы охлаждения (2) нагретая жидкость-теплоноситель направляется в ГЖЭ (5), где она распыляется в холодном газе, поступающем сюда из турбины (7). ГЖЭ (5) в данном случае работает как газокапельный теплообменник, в котором происходит передача тепла от капель жидкости к газу. Из ГЖЭ (5) газокапельная смесь попадает в ГЖС (6), где происходит разделение смеси по фазам. Нагретый жидкостью газ из ГЖС (6) направляется на вход газовой турбины (7), а предварительно охлажденная газом жидкость - в охлаждающий теплообменник (4), где она дополнительно охлаждается (например, с помощью внешней системы охлаждения), а затем поступает на вход насоса (3). Последний снова направляет жидкость в систему охлаждения (2) БТЭ (1), и рабочий цикл теплоносителя замыкается.

При использовании высокоэффективных агрегатов в системе охлаждения БТЭ (насос, турбина, генератор) предлагаемая схема ЭХГ (со «встроенной» турбиной) позволяет заметно повысить эффективность преобразования химической энергии в электрическую.

Электрохимический генератор, включающий батарею топливных элементов и ее систему охлаждения с контуром циркуляции жидкого теплоносителя, включающим охлаждающий теплообменник, установленный на выходе этой системы, и электрический насос, установленный на ее входе и электрически связанный с батарей топливных элементов, отличающийся тем, что в контур циркуляции жидкого теплоносителя дополнительно введены газовая турбина с электрогенератором, а также газожидкостный эжектор и подключенный к его выходу газожидкостный сепаратор, установленные на входе охлаждающего теплообменника, при этом жидкостная полость сепаратора соединена со входом этого теплообменника, а газовая полость сепаратора - со входом газовой турбины, выход которой подключен к газовому входу эжектора.
Электрохимический генератор
Электрохимический генератор
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 191-200 of 370 items.
10.05.2016
№216.015.3ab9

Способ определения высоты облачности

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологии для определения физических параметров атмосферы. Технический результат - повышение оперативности. Для этого дополнительно выполняют навигационные измерения орбиты космического аппарата (КА), производят съемку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583877
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3b47

Способ определения характеристик срабатывания пиротехнических изделий при тепловом воздействии и устройство для его реализации

Группа изобретений относится к оборудованию для испытаний пиротехнических изделий (ПИ). Способ определения характеристик самопроизвольного срабатывания ПИ включает тепловое воздействие на корпус ПМ с заданным темпом нагрева до момента его самопроизвольного срабатывания и фиксацию температуры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583979
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3b6f

Способ выведения спутника на заданную околоземную орбиту

Изобретение относится к технологии запуска спутников на орбиту. Способ включает размещение спутника внутри космического корабля (КК) перед его выведением на орбиту. После выведения и стыковки КК с орбитальной станцией размещают спутник на внешней поверхности КК. Приводят в рабочее положение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583981
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3beb

Двигательная установка космического объекта и гидравлический конденсатор для нее

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в двигательных установках (ДУ) космических объектов (КО). ДУ КО содержит криогенный бак с расходным клапаном и с бустерным турбонасосом, баллон высокого давления с газообразным криогенным компонентом для раскрутки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583994
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3d40

Способ определения высоты облачности (варианты)

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении высоты облачности. Технический результат - повышение оперативности. Для этого по варианту 1 выполняют навигационные измерения орбиты космического аппарата. Производят съемку с космического аппарата (КА)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583954
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3dee

Пассивное устройство фиксации полезного груза преимущественно к корпусу находящегося на орбите космического корабля

Изобретение относится к стыковочным средствам и инструментам внекорабельной деятельности. Устройство содержит корпус (1), закрепленный на внешней поверхности космического корабля, с кольцом (2), имеющим направляющие выступы (3) и датчики касания (4) с взаимодействующим активным устройством...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583992
Дата охранного документа: 10.05.2016
20.05.2016
№216.015.3eb5

Устройство фиксации разделяемых элементов конструкции

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в агрегатах, например, в ракетно-космической технике. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности. Устройство фиксации разделяемых элементов конструкции содержит корпус с двумя пневмоцилиндрами и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584122
Дата охранного документа: 20.05.2016
20.05.2016
№216.015.3f62

Ракетный разгонный блок и способ его сборки

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно, к конструкции ракетных разгонных блоков. Ракетный разгонный блок содержит криогенный бак окислителя и бак горючего в виде сегментов полого тора, двухконтурную ферму, корпусной отсек и маршевый двигатель. К нижнему шпангоуту...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584045
Дата охранного документа: 20.05.2016
20.05.2016
№216.015.3fcb

Воздуховод

Изобретение относится к гибким трубопроводам, предназначенным для обеспечения подачи воздуха в обитаемые и межмодульные отсеки космических объектов. Техническим результатом является повышение скорости стыковки-расстыковки и герметичности узла стыковки. Технический результат достигается тем, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584052
Дата охранного документа: 20.05.2016
20.05.2016
№216.015.40a8

Капиллярная система хранения и отбора жидкости в ракетный двигатель космического объекта (варианты)

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано в двигателях космических объектов (КО). Капиллярная система хранения и отбора жидкости в ракетный двигатель КО содержит топливный бак с крышкой и нижним днищем, радиальные перфорированные перегородки, кронштейны, трубопровод...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584211
Дата охранного документа: 20.05.2016
Showing 191-200 of 295 items.
10.04.2016
№216.015.3034

Способ разгрузки силовых гироскопов космического аппарата с создаваемым магнитным моментом

Изобретение относится к управлению угловым движением космических аппаратов. Для разгрузки системы силовых гироскопов от накопленного кинетического момента используют токовые контуры фазированной антенной решетки (ФАР). По магнитным моментам этих контуров определяют суммарное значение магнитного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580593
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.30ad

Устройство формирования сигналов управления (2 варианта)

Предлагаемая группа изобретений относится к области электронной техники и может быть использована в системах управления, где требуется высокая надежность выполнения заданного режима, например, в системах управления космическими аппаратами, в авиационной технике и в других системах. Технический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580476
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.319b

Устройство обеспечения чистоты объектов космической головной части (2 варианта)

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при подготовке к старту ракеты космического назначения (РКН). Устройство обеспечения чистоты объектов космической головной части содержит побудитель расхода газового компонента, газовод, фильтр, рассекатель потока...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580602
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.3212

Спасательный модуль

Изобретение относится к спасательной технике. Спасательный модуль включает жесткий корпус с носовой и кормовой частями, внутренней камерой, закрепленный на жестком корпусе салон с такелажным устройством. Он снабжен раскладываемыми опорами для установки на сушу. Жесткий корпус выполнен в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580592
Дата охранного документа: 10.04.2016
20.04.2016
№216.015.34ac

Комбинированное терморегулирующее покрытие и способ его формирования

Изобретение относится к терморегулирующим покрытиям и способу их формирования на внешних поверхностях космических аппаратов с применением метода газотермического напыления. Комбинированное терморегулирующее покрытие содержит нанесенный на подложку подслой из металлического материала, слой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581278
Дата охранного документа: 20.04.2016
20.04.2016
№216.015.3761

Способ управления ориентацией космического аппарата при проведении экспериментов с научной аппаратурой по изучению конвекции

Изобретение относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА). Способ включает закрутку КА, измерение расстояния от научной аппаратуры КА по изучению конвекции до оси закрутки, измерение и фиксацию температуры в этой аппаратуре, а также угловой скорости КА. При этом скорость...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581281
Дата охранного документа: 20.04.2016
10.05.2016
№216.015.3ab9

Способ определения высоты облачности

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологии для определения физических параметров атмосферы. Технический результат - повышение оперативности. Для этого дополнительно выполняют навигационные измерения орбиты космического аппарата (КА), производят съемку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583877
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3b47

Способ определения характеристик срабатывания пиротехнических изделий при тепловом воздействии и устройство для его реализации

Группа изобретений относится к оборудованию для испытаний пиротехнических изделий (ПИ). Способ определения характеристик самопроизвольного срабатывания ПИ включает тепловое воздействие на корпус ПМ с заданным темпом нагрева до момента его самопроизвольного срабатывания и фиксацию температуры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583979
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3b6f

Способ выведения спутника на заданную околоземную орбиту

Изобретение относится к технологии запуска спутников на орбиту. Способ включает размещение спутника внутри космического корабля (КК) перед его выведением на орбиту. После выведения и стыковки КК с орбитальной станцией размещают спутник на внешней поверхности КК. Приводят в рабочее положение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583981
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3beb

Двигательная установка космического объекта и гидравлический конденсатор для нее

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в двигательных установках (ДУ) космических объектов (КО). ДУ КО содержит криогенный бак с расходным клапаном и с бустерным турбонасосом, баллон высокого давления с газообразным криогенным компонентом для раскрутки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583994
Дата охранного документа: 10.05.2016
+ добавить свой РИД