RU2524606C1

RU2524606C1 - Electrochemical water pump

Info

Publication number: RU2524606C1
Application number: RU2012153460/05A
Authority: RU
Inventors: Игорь Николаевич Глухих
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-07-27
Also published as: RU2012153460A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed pump comprises solid-polymer electrolysis cells and fuel cells hydraulically communicated via water collection tank. The latter has water inlet union, oxygen and hydrogen gas separators hydraulically communicated with appropriate cavities of electrolysis cells and, pneumatically, with appropriate cavities of fuel elements. Note here that oxygen gas separator is hydraulically communicated with water collection tank. Hydrogen gas separator is equipped with water discharge union. Note also that electrolysis cells and fuel cells are connected by power electric circuit.

EFFECT: decreased overall dimensions and weight, lower power input, higher pump efficiency.

1 dwg

Description

Изобретение относится к насосной технике и может применяться при создании систем водоснабжения и силовых гидравлических установок, в том числе малогабаритных гидросистем высокого давления для космических аппаратов (КА).The invention relates to pumping equipment and can be used to create water supply systems and power hydraulic systems, including small-sized high-pressure hydraulic systems for spacecraft (SC).

В качестве аналога предлагаемого технического решения в принципе можно рассматривать любой из существующих типов водяных насосов (в частности вибрационный насос), недостатком которых является наличие в них подвижных элементов, снижающих их ресурс (в вибрационных насосах это мембрана). По принципу действия, однако, для аналога больше подходит электрохимический водородный компрессор (ЭВК), не имеющий подвижных деталей (US 6068673, 30.05.2000, МГЖ: B01J 7/00 (2006.01); C01B 3/38 (2006.01); C01B 3/50 (2006.01); Н01М8/06 (2006.01)). Он представляет собой обращенный топливный элемент (ТЭ), в котором под действием электрического напряжения идет перенос водорода через твердополимерную (ТП) мембрану из анодной полости в катодную, где создается повышенное давление водорода.As an analogue of the proposed technical solution, in principle, any of the existing types of water pumps (in particular a vibration pump) can be considered, the drawback of which is the presence of moving elements in them, which reduce their service life (this is a membrane in vibration pumps). According to the principle of operation, however, an analogue is more suitable for an electrochemical hydrogen compressor (EVC) that does not have moving parts (US 6068673, 05/30/2000, MGZH: B01J 7/00 (2006.01); C01B 3/38 (2006.01); C01B 3 / 50 (2006.01); H01M8 / 06 (2006.01)). It is a reversed fuel cell (FC), in which, under the influence of electric voltage, hydrogen is transferred through a solid polymer (TP) membrane from the anode cavity to the cathode, where an increased pressure of hydrogen is created.

Недостатком ЭВК является его неспособность перекачивать воду, хотя ТП мембрана вместе с водородом способна пропускать также и воду, как это происходит в ТП электролизных ячейках (ЭЯ).The drawback of the EVC is its inability to pump water, although the TP membrane, along with hydrogen, is also able to pass water, as is the case in TP electrolysis cells (CE).

Более близким (как по принципу действия, так и по составу) к предлагаемому решению, является аккумулятор энергии с водяным (водородным) циклом (АЭВЦ), который представляет собой регенеративную электрохимическую систему для накопления и хранения электроэнергии на основе ТП ЭЯ и ТЭ (US20100055512A1, 2010-03-04, МПК: B64C 3/14 (2006.01), B64D 27/02 (2006.01), C25B 1/00 (2006.01)). Регенеративная электрохимическая система типа АЭВЦ (электрохимический водяной насос) содержит твердополимерные электролизные ячейки и топливные элементы, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды, который имеет входной штуцер для воды, газоотделители водорода и кислорода, гидравлически связанные с соответствующими полостями электролизных ячеек, а пневматически - с соответствующими полостями топливных элементов, при этом газоотделитель кислорода гидравлически сообщается с резервуаром сбора воды.Closer (both in principle of operation and in composition) to the proposed solution is an energy accumulator with a water (hydrogen) cycle (AEC), which is a regenerative electrochemical system for the accumulation and storage of electricity based on TP EY and TE (US20100055512A1, 2010-03-04, IPC: B64C 3/14 (2006.01), B64D 27/02 (2006.01), C25B 1/00 (2006.01)). The regenerative electrochemical system of type AEVC (electrochemical water pump) contains solid polymer electrolysis cells and fuel cells hydraulically connected to each other through a water collection tank, which has an inlet for water, hydrogen and oxygen gas separators, hydraulically connected to the corresponding cavities of the electrolysis cells, and pneumatically - with the corresponding cavities of the fuel cells, while the oxygen separator is hydraulically connected to the water collection tank.

Электроэнергия, поступающая в АЭВЦ, используется в ЭЯ для разложения воды током на водород и кислород, которые накапливаются в соответствующих блоках хранения (например, баллонах) и в нужный момент используются в качестве рабочих газов для ТЭ.The electric energy supplied to the AECC is used in EE for the decomposition of water by current into hydrogen and oxygen, which accumulate in the respective storage units (for example, cylinders) and are used as working gases for fuel cells at the right time.

Недостатком прототипа является то, что он как водяной насос имеет крайне высокий удельный расход энергии на перекачку воды, поскольку одновременно идет разложение воды на электролизные газы. Энергия, затрачиваемая на перекачку воды через мембрану ЭЯ, примерно на два порядка больше величины, характерной для обычных насосов высокого давления. По этой причине ни высокое рабочее давление, ни отсутствие подвижных частей не могут служить аргументом для практического использования ТП ЭЯ в качестве электрохимического водяного насоса (ЭВН), по аналогии с ЭВК.The disadvantage of the prototype is that it as a water pump has an extremely high specific energy consumption for pumping water, since at the same time there is a decomposition of water into electrolysis gases. The energy expended in pumping water through the EH membrane is approximately two orders of magnitude greater than that typical of conventional high pressure pumps. For this reason, neither the high working pressure, nor the absence of moving parts can serve as an argument for the practical use of TP EW as an electrochemical water pump (EHP), by analogy with the EEC.

Кроме того, в АЭВЦ используются блоки для хранения электролизных газов (водорода и кислорода), которые при любом способе хранения (баллоны, интерметаллиды и пр.) имеют большие массо-габаритные характеристики (МГХ).In addition, the AECC uses blocks for storing electrolysis gases (hydrogen and oxygen), which, with any storage method (cylinders, intermetallic compounds, etc.), have large mass-dimensional characteristics (MGX).

Задача данного технического решения - разработать принципиальную схему ЭВН высокого давления, не имеющего подвижных деталей, с минимальными МГХ и минимальным удельным расходом энергии на перекачку воды.The objective of this technical solution is to develop a schematic diagram of a high-pressure power supply without moving parts, with minimal MHC and a minimum specific energy consumption for pumping water.

Техническим результатом предложения является:The technical result of the proposal is:

- снижение МГХ ЭВН;- decrease in MGH EVN;

- уменьшение удельного расхода энергии на перекачку воды;- reduction of specific energy consumption for pumping water;

- повышение производительности ЭВН.- increasing the productivity of EVN.

Технический результат достигается тем, что электрохимический водяной насос содержит твердополимерные электролизные ячейки и топливные элементы, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды, который имеет входной штуцер для воды, газоотделители водорода и кислорода, гидравлически связанные с соответствующими полостями электролизных ячеек, а пневматически - с соответствующими полостями топливных элементов, при этом газоотделитель кислорода гидравлически сообщается с резервуаром сбора воды, газоотделитель водорода снабжен выходным штуцером для воды, а электролизные ячейки и топливные элементы соединены силовой электрической связью.The technical result is achieved in that the electrochemical water pump contains solid polymer electrolysis cells and fuel cells hydraulically connected to each other through a water collection tank, which has an inlet for water, hydrogen and oxygen gas separators, hydraulically connected to the corresponding cavities of the electrolysis cells, and pneumatically - with the corresponding cavities of the fuel cells, while the oxygen separator is hydraulically connected to the water collection tank, the water separator and provided with an output connection for water and electrolysis cells and fuel cells connected in electrical power connection.

Схема предлагаемого ЭВН представлена на фиг.1. Здесь основной агрегат устройства - батарея твердополимерных ЭЯ (1) своими выходными магистралями по водороду (2) и по кислороду (3) соединены с соответствующими газоотделителями (4) и (5). Кислородный газоотделитель (5) своей выходной пневмомагистралью (11) подключен к соответствующей полости батареи ТЭ (13), а выходной гидромагистралью (7) - к резервуару сбора воды (РСВ) (8), который снабжен входным штуцером для воды (10), а выходной гидромагистралью (9) подсоединен к кислородной полости батареи ЭЯ (1). Водородный газоотделитель (4) снабжен выходным штуцером для воды (6), а выходной пневмомагистралью (12) подключен к соответствующей полости батареи ТЭ (13). Выходная гидромагистраль последней (14) соединена с РСВ (8).The scheme of the proposed EVN is presented in figure 1. Here, the main unit of the device is a battery of solid polymer electrochemical cells (1) connected to the corresponding gas separators (4) and (5) by their output lines through hydrogen (2) and oxygen (3). The oxygen separator (5) is connected to the corresponding cavity of the TE battery (13) by its output pneumatic line (11), and the output hydraulic line (7) is connected to the water collection tank (RSV) (8), which is equipped with an inlet fitting for water (10), and the output hydraulic line (9) is connected to the oxygen cavity of the battery of the cell (1). The hydrogen gas separator (4) is equipped with an outlet fitting for water (6), and the outlet pneumatic line (12) is connected to the corresponding cavity of the TE battery (13). The output hydraulic line of the latter (14) is connected to the RSV (8).

Батареи ТЭ (13) и ЭЯ (1) связаны друг с другом силовой электролинией (15), возвращающей в ЭЯ (1) электроэнергию, затраченную там, на разложение воды.The batteries of TE (13) and EA (1) are connected to each other by a power line (15), which returns electric energy spent there to decompose water to EA (1).

Работает ЭВН следующим образом. Порция воды, предназначенная для перекачки через штуцер (10), заливается в РСВ (8), откуда поступает по магистрали (9) в кислородную полость батареи ЭЯ (1). Подача воды из РСВ (8) в ЭЯ (1) может осуществляться либо дополнительным насосом (на фиг.1 не показан), либо в ходе циркуляции воды в режиме «газ-лифт» по замкнутому контуру [ЭЯ (1) - магистраль (3) - газоотделитель кислорода (5) - магистраль (7) - РСВ (8) - магистраль (9) - ЭЯ (1)]. В обоих случаях реализуется анодная система водоснабжения ЭЯ. В процессе электролиза в ЭЯ (1) происходит частичное разложение воды на газы, а часть воды вместе с ионами водорода переходит из анодной (кислородной) полости ЭЯ в их катодную (водородную) полость, где образуется молекулярный водород. Водородо-водная смесь из катодной полости ЭЯ (1) по магистрали (2) поступает в газоотделитель водорода (4), где вода, перекачанная через мембрану ЭЯ (1), накапливается, а водород по пневмомагистрали (12) подается в ТЭ (13), где реагирует с кислородом, поступившим из газоотделителя кислорода (5) по пневмомагистрали (11). В результате электрохимической реакции в ТЭ (13) образуется вода, которая по гидромагистрали (14) перетекает в РСВ (8) и электроэнергия, которая по электролинии (15) передается в ЭЯ (1). Выдача воды происходит через штуцер (6).The EVN works as follows. A portion of water intended for pumping through the nozzle (10) is poured into the PCB (8), from where it enters the oxygen cavity of the EE battery (1) via the line (9). The water supply from the PCB (8) to the EA (1) can be carried out either by an additional pump (not shown in Fig. 1), or during the circulation of water in the gas-lift mode along a closed circuit [EA (1) - main (3 ) - oxygen gas separator (5) - line (7) - RSV (8) - line (9) - EY (1)]. In both cases, the anode water supply system of EE is implemented. In the process of electrolysis in EE (1), partial decomposition of water into gases occurs, and part of the water, together with hydrogen ions, passes from the anode (oxygen) cavity of the EE to their cathode (hydrogen) cavity, where molecular hydrogen is formed. The hydrogen-water mixture from the cathode cavity of the cell (1) through the line (2) enters the hydrogen gas separator (4), where the water pumped through the membrane of the cell (1) accumulates, and hydrogen is supplied through the pneumatic line (12) to the fuel cell (13) where it reacts with oxygen coming from an oxygen gas separator (5) along a pneumatic line (11). As a result of the electrochemical reaction in the fuel cell (13), water is formed, which flows through the hydraulic line (14) to the PCB (8) and electricity, which is transmitted through the electric line (15) to the electric cell (1). Water is dispensed through the fitting (6).

Тем самым компенсируются основные энергозатраты на электролиз воды в ЭЯ (1).This compensates for the main energy consumption for electrolysis of water in EE (1).

Компенсация энергозатрат, однако, не является полной, поскольку существуют потери энергии на всех стадиях процесса (главным образом, это тепловые потери). Кроме того, величина «недокомпенсированной» энергии в первом приближении определяется разностью КПД ЭЯ (70÷85%) и ТЭ (50÷65%), то есть существенно зависит от эффективности каждого из этих агрегатов, и именно эта величина определяет удельные энергозатраты ЭВН на перекачку воды.Compensation of energy costs, however, is not complete, since there are energy losses at all stages of the process (mainly, heat losses). In addition, the value of "uncompensated" energy in the first approximation is determined by the difference in the efficiency of the nuclear power unit (70 ÷ 85%) and the TE (50 ÷ 65%), that is, it significantly depends on the efficiency of each of these units, and this value determines the specific energy consumption of the power supply by pumping water.

Суть данного предложения - использовать протонопроводящую мембрану не для переноса водорода (как в ЭВК), а для переноса воды. В ТП ЭЯ это происходит вместе с переносом через мембрану протонов Н*. В отличие от прототипа (ЭВК), где водород извлекается из газовой смеси, в ЭВН водород извлекается из воды после ее частичного разложения током. Протоны же, диффундируя через мембрану, «тащат» за собой по нескольку молекул воды, то есть в принципе такая мембрана больше проводит воды, чем водорода. Это, в частности, подтвердилось при испытаниях ТП электролизера в РКК «Энергия». Оказалось, что перенос воды через мембрану по расходу примерно в три раза больше, чем переработка воды в газы. При этом, как и в ЭВК, перенос может происходить с повышением давления до значительного уровня.The essence of this proposal is to use a proton conducting membrane not for hydrogen transfer (as in an EVC), but for water transfer. In TP EJ, this occurs together with the transfer of H * protons through the membrane. Unlike the prototype (EVC), where hydrogen is extracted from the gas mixture, in the EVN hydrogen is extracted from water after its partial decomposition by current. Protons, diffusing through the membrane, “drag” several water molecules behind them, that is, in principle, such a membrane conducts more water than hydrogen. This, in particular, was confirmed when testing the electrolytic cell TP in RSC Energia. It turned out that the transfer of water through the membrane at a flow rate of about three times more than the processing of water into gases. In this case, as in the EVC, transfer can occur with increasing pressure to a significant level.

Высокие энергозатраты на транспортировку воды через мембрану ЭЯ почти полностью компенсируются возвратом в систему (в виде электричества) химической энергии, выделяющейся при обратной реакции синтеза воды (H₂+O₂→H₂O). Для этого, как и в АЭВЦ, используются ТЭ, которые генерируют электроэнергию и воду для работы ЭЯ. Таким образом, ЭВН - это по сути АЭВЦ без блоков хранения водорода и кислорода, с разомкнутым циклом по воде, но с прямой электрической (силовой) связью между ЭЯ и ТЭ.High energy costs for transporting water through the EH membrane are almost completely compensated by the return to the system (in the form of electricity) of the chemical energy released during the reverse reaction of water synthesis (H ₂ + O ₂ → H ₂ O). For this, as in AECC, fuel cells are used that generate electricity and water for the operation of nuclear power. Thus, EVN is essentially an AECC without hydrogen and oxygen storage units, with an open cycle through water, but with a direct electrical (power) connection between EE and TE.

Отсутствие баллонов в составе ЭВН позволяет кардинально снизить его МГХ, например, выполнять его в виде плоской конструкции с большой площадью мембраны и соответственно большой производительностью либо в виде компактного моноблока с высоким рабочим давлением.The absence of cylinders in the EHV composition allows to drastically reduce its MHC, for example, to perform it in the form of a flat design with a large membrane area and, accordingly, a large capacity or in the form of a compact monoblock with high working pressure.

Кроме того, в качестве ЭВН можно использовать стандартный АЭВЦ, если не задействовать его блоки хранения газов, а выходное напряжение ЭХГ использовать для питания электролизера. Таким образом, после небольшой доработки схемы АЭВЦ при необходимости сможет выполнять роль насоса воды высокого давления.In addition, a standard AECC can be used as an EVN, if its gas storage units are not used, and the output voltage of the ECG is used to power the electrolyzer. Thus, after a small refinement of the AECC scheme, if necessary, it will be able to play the role of a high pressure water pump.

Компенсация же основных энергозатрат ЭЯ за счет работы ТЭ позволяет на порядок снизить удельные энергозатраты на перекачку воды через мембрану ЭЯ и приблизить эту характеристику ЭВН к аналогичному показателю, характерному для обычных механических насосов высокого давления (~10²÷10³ Вт·ч/л воды). При этом давление воды на выходе ЭВН (так же, как и в ЭВК) может достигать сотен атмосфер.Compensation of the main energy expenditures of the EJ due to the operation of the fuel cell allows one to reduce by an order of magnitude the specific energy consumption for pumping water through the membrane of the EJ and bring this characteristic of the EVN closer to the same indicator that is typical for ordinary mechanical high pressure pumps (~ 10 ² ÷ 10 ³ W · h / l of water ) In this case, the water pressure at the outlet of the EVN (as well as in the EVK) can reach hundreds of atmospheres.

Перечисленные обстоятельства придают целесообразность практической разработке ЭВН особенно в перспективных космических системах.These circumstances make it practical to develop EVN especially in promising space systems.

Claims

An electrochemical water pump, including solid polymer electrolysis cells and fuel cells, hydraulically connected to each other through a water collection tank, which has an inlet for water, hydrogen and oxygen gas separators, hydraulically connected to the corresponding cavities of the electrolysis cells, and pneumatically to the corresponding cavities of the fuel cells wherein the oxygen gas separator is hydraulically connected to the water collection tank, characterized in that the hydrogen gas separator is provided with an outlet a fitting for water, and the electrolysis cells and fuel cells are connected by a power electrical connection.