5.2.1. Классификация систем подвода реагентов (на примере водородно-кислородного ЭХГ)

Системы подвода реагентов значительно отличаются друг от друга в зависимости от типа топлива (водород или водородсодержащая газовая смесь) и окислителя (кислород или воздух), типа ТЭ (гидрофильные или гид­рофобные электроды и т. д.), типа системы хранения и подготовки реагентов, мощности и назначения ЭХГ и т. п. Однако классификацию систем подвода реаген­тов, как и других вспомогательных систем, целесообраз­но проводить по функциональным признакам. Система подвода реагентов обеспечивает подвод реагентов от системы хранения и подготовки реагентов к батарее ТЭ, поддержание с заданной точностью давления реа­гентов в газовых полостях батареи и давления электро­лита, раздачу реагентов по ТЭ батареи.

Основной функцией системы является автоматическое поддержание заданного перепада давлений на электро­дах ТЭ со свободным электролитом или заданного аб­солютного давления в газовых камерах ТЭ со «связан­ным» электролитом. Ввиду того что в системе хранения и подготовки реагентов водород и кислород находятся, как правило, в компремированном состоянии, основны­ми устройствами системы подвода реагентов являются регуляторы давления. По выбору задающего давления регулятора можно выделить:

системы, в которых опорным давлением является давление окружающей среды (атмосферное давление); то же, но собственное давление в корпусе; то же, но давление одного из реагентов; то же, но давление электролита.

В разработках ЭХГ наиболее часто встречаются системы пер­вых двух типов. В водородно-кислородных ЭХГ, используемых на земле, в качестве опорного давления берется атмосферное давление, водород и кислород поступают в батарею ТЭ через регуляторы пе­репада давления (РПД). Типичными примерами являются ЭХГ мощностью 25 Вт на основе ТЭ с гидрофильными электродами для питания ретрансляционной аппаратуры разработки фирмы «Сименс», ФРГ (баллонное хранение реагентов; избыточное давление реаген­тов на входе в батарею после РПД составляет 0,04 МПа); ЭХГ с номинальной мощностью 32 кВт на основе ТЭ с гидрофобными электродами для электромобиля «Электрован» разработки фирмы

«Юнион карбайд», США (криогенное хранение реагентов; избыточ­ное давление реагентов после РПД незначительно превышает атмо­сферное; кислородный регулятор давления объединен с эжектором в один узел). В обоих ЭХГ давление электролита равно атмосфер­ному, В ЭХГ, предназначенных для работы в космосе или под во­дой, опорным давлением служит, как правило, давление газа в кор­пусе. Например, в ЭХГ для космического корабля «Аполлон» (раз­работка фирмы «Пратт энд Уитни», США) в качестве опорного давления используется давление азота, заполняющего пространство между батареей ТЭ н корпусом блока ЭХГ. Давление азота пере­дается электролиту через гибкую диафрагму, являющуюся внешней периферией опорной пластины электродов. Давление реагентов пре­вышает давление азота на 0,035—0,07 МПа. Абсолютные давления водорода, кислорода и азота соответственно равны 0,44; 0,421 и 0,362 МПа. Система подвода реагентов ЭХГ, предназначаемого для применения под водой и размещенного в герметичном корпусе, как правило, содержит дополнительные устройства (регулятор давления на продувочном кислородном трубопроводе, дроссель на продувоч­ном водородном трубопроводе и систему дожигания продувочного водорода), автоматически поддерживающие давление газовой смеси внутри корпуса постоянным.

В системе подвода реагентов в ЭХГ мощностью 50 Вт для ра­боты под водой (разработка английской фирмы «Электрик пауэр сторидж») в качестве опорного давления используется давление азо­та, но система выполнена по разгруженной схеме, т. е. давление азота изменяется при изменении глубины погружения ЭХГ. Опор­ным давлением может служить давление одного из реагентов. В си­стемах водородно-воздушных ЭХГ, разработанных К. Кордешем (США), опорным давлением является давление воздуха (один из реагентов), равное давлению атмосферы.

Представляет интерес классификация систем подвода реагентов по энергопотреблению на собственные нужды:

системы прямого регулирования, в которых используется потен­циальная энергия сжатого реагента;

системы непрямого регулирования, к которым извне подводится дополнительная энергия в виде электричества или сжатого газа;

смешанные системы.

Смешанные системы характерны для водородно-воздушных ЭХГ: система подачи водорода является системой прямого регули­рования, а система подачи воздуха, являясь одновременно и систе­мой удаления воды, — системой непрямого регулирования, так как вентилятор и устройство для регулирования расхода воздуха на реакцию пропорционально гону нагрузки потребляют электрическую энергию. При использовании водородно-воздушных ТЭ с гидрофиль­ными электродами давление электролита может отстраиваться от атмосферного посредством вакуумного насоса с сигнализатором пе­репада давления на воздушном электроде.

Возможна также классификация систем подачи реагентов по способу подачи реагентов (непрерывная, прерывистая, пульсирую­щая), соотношению давлений реагентов [различные давления водо­рода и кислорода (воздуха), одинаковые давления], конструктив­ным и другим признакам.

Как и в случае систем подвода реагентов, к класси­фикации систем удаления воды (СУВ) возможны раз­личные подходы. Для разработки СУВ наибольшее значение имеет классификация по следующим призна­кам:

по физическому принципу, т. е. по способам удале­ния воды непосредственно из зоны реакции ТЭ; л

по способу регулирования баланса воды; г

по уровню рабочей температуры ТЭ; по количеству контуров.

Наиболее охватывающей является классификация СУВ по физическому принципу. В этом случае можно выделить СУВ, реализующие четыре способа удаления воды из зоны реакции ТЭ:

гравистатические (вода стекает в жидкой фазе из зоны реакции под действием силы гравитации, минуя стадию испарения, или отсасывается с помощью капил­лярных сил), см. подробно гл. 6;

статические (происходит диффузионный перенос па­ров воды);

с регенерацией электролита (вода выводится из ТЭ с электролитом, затем в специальном устройстве проис­ходит регенерация электролита, электролит с исходной концентрацией возвращается в ТЭ);

динамические (вода испаряется с поверхности элек­трода в поток проходящего через ТЭ газа).

Классификация по способу регулирования баланса воды является существенным добавлением к классифи­кации по физическому принципу, так как поддержание баланса воды является второй важнейшей функцией СУВ, обеспечивающей работоспособность самой системы при изменяющихся внешних условиях в течение дли­тельного времени. Выбор способа удаления воды из зо­ны реакции ТЭ и способа регулирования баланса воды практически полностью определяет направление разра­ботки СУВ.

В зависимости от уровня рабочей температуры ТЭ, как уже отмечалось в гл. 1, можно выделить низкотем­пературные (ниже 100 °С) и среднетемпературные (200—220 °С) СУВ, которые значительно различаются выбором параметров (давление и расход циркулирую­щего газа, концентрация электролита, температура кон­денсатора— для динамических систем), реализацией

термостатирования ТЭ, выбором способа регулирования баланса воды, конструктивным исполнением.

Классификация по количеству контуров (двухконтур­ные и одноконтурные СУВ) позволяет подчеркнуть взаимосвязь СУВ с системой термостатирования и отво­да теплоты. Данная классификация особое значение имеет для динамических систем. В двухконтурпой систе­ме контуры отвода воды и теплоты выполнены раздель­но, например циркулирующий газ транспортирует из ТЭ только образующуюся воду, а теплота уносится из ТЭ хладоагентом, т. е. процессы тепло - и массопереноса про­текают раздельно. Как правило, низкотемпературные системы являются двухконтурными. Двухконтурные си­стемы отличаются простотой схемы. В одноконтурной системе контуры отвода воды и теплоты совмещены, т. е

система удаления воды является одновременно и систе­мой отвода теплоты. Классическим примером однокон­турной СУВ является средпетемпературпая система уда­ления воды и теплоты ЭХГ для космического корабля «Аполлон», в которой теплота от ТЭ переносится в кон­денсатор за счет теплоемкости циркулирующего водоро­да.

Тип ТЭ также может оказать влияние на выбор типа СУВ, способа регулирования баланса воды, параметров СУВ и конструктивного исполнения системы. По этой причине имеет смысл выделить СУВ для ТЭ с ионооб­менной мембраной, со свободным или связанным элек­тролитом.

На рис. 5.1 представлена классификация СУВ по фи­зическому принципу, рассмотренная ниже более под­робно. . .