8.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СХПР

В предыдущих главах были рассмотрены проблемы создания собственно ЭХГ. Как отмечалось, одно из прин­ципиальных отличий ЭХГ от гальванических элементов и аккумуляторных батарей состоит в том, что активные вещества — топливо и окислитель не заложены в источ­нике, а подводятся непрерывно к электродам извне в те­чение всего периода работы генератора. Поэтому обя­зательной составной частью любого типа ЭУ на основе ЭХГ является система хранения и подготовки реагентов.

Эти системы могут быть классифицированы следую­щим образом:

1. СХПР с газообразными реагентами, в которых топливо и окислитель хранятся в виде сжатых газов и подаются непосредственно в ЭХГ.

2. СХПР с криогенными реагентами, в которых топ­ливо и окислитель хранятся в ожиженном состоянии и перед подачей в ЭХГ газифицируются.

3. СХПР с реагентами в химически связанном состоя­нии, в которых топливо и окислитель хранятся в виде жидких или твердых водородсодержащих (кислородсо­держащих) соединений и перед подачей в ЭХГ из них предварительно выделяется чистый водород (кислород) путем соответствующего химического процесса.

Несколько особняком стоит в этой классификации СХП водорода, в которой он предварительно сорбирован некоторыми интерметаллическими соединениями и выде­ляется в газообразном состоянии при их дегидрировании.

В схемно-конструктивном отношении наиболее про­стой является СХПР с газообразными реагентами, так как они хранятся в готовом к подаче в ЭХГ виде. Такая СХПР, в принципе, состоит из баллонов высокого дав­ления (15—50 МПа) и системы редуцирования.

Наиболее существенным недостатком, ограничиваю­щим применение баллонной системы хранения, является большая относительная масса металлических баллонов 23* 355

на 1 м3 газа. По этой причине для большинства задач стандартные баллоны не подходят.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом имеются облегченные баллоны на 30—50 МПа, которые могут быть использованы для хранения реагентов. Они изготавливаются из спе­циальных легированных сталей с высоким пределом прочности и армированы стекловолокном. Стекловолокно имеет значительно боль­шее сопротивление на разрыв, чем сталь, поэтому удается получить более прочный и легкий корпус.

Очевидно, что с повышением давления снижается объем балло­нов. Однако повышение давления сильно усложняет их заправку га­зом (требуются специальные компрессорные станции), усложняется транспортировка, снижаются сроки хранения заправленных баллонов и, следовательно, ухудшаются технические свойства всей энерго­установки.

В табл. 8.1 приведены характеристики отечественных баллонов высокого давления при значениях удельного расхода в ЭХГ кисло­рода 0,4 кг/(кВт-ч) и удельного расхода водорода 0,05 кг/(кВт-ч).

Наиболее компактна и схемно достаточно проста СХПР с криогенным хранением реагентов — криостат и система газификации (рис. 8.1); однако в этом варианте возникает проблема удержания реагентов в сжиженном состоянии при длительном хранении для предотвращения потерь реагента.

Основное преимущество этого способа хранения пе­ред баллонным — небольшая масса. Газы в сжиженном состоянии имеют максимальную объемную плотность, однако необходимость мощной теплоизоляции и газовой «подушки» над жидкостью резко снижает объемные ха­рактеристики. В то время как массовые характеристики 356

могут быть в 2—3 раза лучше, чем у баллонов, их объ­емные близки к характеристикам баллонов (табл. 8.2) и даже несколько ниже.

Существенным недостатком криогенной системы яв­ляются потери газа на испарение вследствие неизбеж­ного теплопритока, составляющие в зависимости от кон­струкции криостата 1—2% общей массы газа в сутки. Поэтому криогенный способ хранения используется в ЭУ, в которых по условиям эксплуатации СХПР мо­гут быть заправлены непосредственно перед началом работы, а длительность непрерывной работы составляет несколько сотен часов, для которых существенную роль играет незначительная масса (например, космических аппаратах), или в мощных ЭУ, часть энергии которых можно затратить на ожижение испаряющихся газов (на­пример, на подводных лод­ках) .

Более сложные системы представляют собой СХПР с реагентами в химически связанном состоянии, вклю-

Рис. 8.1. Схема криогенного хране-
ния реагентов.

/ — теплоизоляция: 2 — сжиженный газ;

3 — нагреватель; 4 — газовая подушка.

чающие хранилища исходных соединений, реакторы, в которых реализуется разложение этих соединений на рабочий реагент (например, водород, кислород) и оста­точный продукт, а также, при необходимости, агрегаты (узлы) очистки реагента от примесей, образующихся в результате процесса разложения. Такие СХПР приме­няются в автономных ЭУ, в которых невозможно или не­целесообразно по эксплуатационным условиям использо­вать СХПР с газообразными или криогенными реаген­тами.

Водород и кислород в химически связанном состоя­нии находятся в огромном количестве неорганических и органических соединений. Однако лишь некоторые из них являются источниками чистых газов, выделяющих­ся при взаимодействии с другими веществами или при относительно небольших затратах энергии.

Исходными веществами являются в основном широ­ко распространенные, достаточно дешевые, пригодные для длительного хранения и транспортировки вещества, которые дают возможность получать чистые, пригодные к использованию в ЭХГ газы наиболее простыми техно­логическими средствами, не требующими значительных энергозатрат и чрезмерно высоких параметров (темпе­ратур, давлений).

Исходные соединения могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Процессы получения газов можно подразделить на две группы:

1) происходящие под воздействием тепла и катали­затора;

2) требующие взаимодействия с другими веществами при нормальной или повышенной температуре.

К первой группе относятся процессы получения во­дорода диссоциацией аммиака, получение кислорода 358

разложением хлоратов и перхлоратов щелочных метал­лов или разложением перекиси водорода.

Ко второй группе относятся процессы конверсии бен­зина и метанола, гидролиз гидридов металлов, гидролиз надперекисных соединений.