КАТАЛИЗАТОР РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА Российский патент 2019 года по МПК B01J7/00 C01B13/02 C06D5/04 F02K9/42 B64G1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к катализу разложения перекиси водорода. В частности, но не обязательно, настоящее изобретение относится к катализу разложения перекиси водорода в ракетном двигателе малой тяги.

Уровень техники

Ракетные двигатели на однокомпонентном топливе, которые принято называть ракетными двигателями малой тяги или микродвигателями, создают тягу путем использования катализатора для энергетического возбуждения реакции превращения топлива в горячие газы. Наиболее распространенное однокомпонентное топливо, гидразин (N₂H₄), является токсичным, и в обращении оно должно быть заключено в закрытых контейнерах. Для преодоления этих проблем в качестве альтернативы гидразину были разработаны низкотоксичные топлива. Такие низкотоксичные топлива принято называть "зелеными". Одним из наиболее популярных "зеленых" топлив является перекись водорода (Н₂О₂), которая в присутствии соответствующего катализатора экзотермически разлагается с образованием водяного пара и кислорода.

В ракетных двигателях малой тяги на однокомпонентном топливе перекись водорода желательно использовать, как правило, в более высоких концентрациях, поскольку с повышением концентрации перекиси водорода повышается температура при ее разложении. Горячие газы выбрасываются через сопло, создавая тягу в определенном направлении, причем при более высоких температурах газов создается большая тяга. В обычных двигателях малой тяги, работающих на однокомпонентном топливе, представляющем собой перекись водорода, для разложения перекиси водорода используется серебряный катализатор. Однако при высоких температурах катализаторы на основе серебра быстро разрушаются, что делает обычные катализаторы непригодными для длительного применения при высоких концентрациях Н₂О₂ (>80%). Поэтому существует потребность в более прочном катализаторе разложения перекиси водорода.

В этом контексте и было создано настоящее изобретение.

Раскрытие изобретения

Объектом настоящего изобретения является устройство для каталитического разложения перекиси водорода, содержащее: камеру разложения, имеющую вход, обеспечивающий поступление высококонцентрированной перекиси водорода; резервуар, выполненный с возможностью хранения перекиси водорода с концентрацией от 80% до 100% и установленный с возможностью подачи перекиси водорода на вход камеры разложения; и катализатор, расположенный в камере разложения для катализа разложения высококонцентрированной перекиси водорода, поступающей через вход, причем катализатор содержит активный слой на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия.

Носитель катализатора также может содержать алюминий, причем гамма-оксид алюминия может быть расположен на поверхности алюминия в качестве пассивирующего слоя.

Активный слой может содержать платину.

Катализатор может находиться в брикетированной (таблетированной), гранулированной или монолитной форме. Вместе с тем, возможности осуществления изобретения не ограничиваются этими физическими формами, и в других вариантах осуществления изобретения катализатор может находиться в любой иной форме, содержащей активные и пассивные компоненты, а именно активный слой и пассивный носитель на основе оксида алюминия.

Предлагаемое в изобретении устройство для каталитического разложения перекиси водорода может представлять собой ракетный двигатель малой тяги и может дополнительно содержать сопло, сообщающееся с камерой разложения и обеспечивающее создание тяги за счет направленного выброса газообразного рабочего тела, образующегося при разложении перекиси водорода. Например, ракетным двигателем малой тяги может быть ракетный двигатель малой тяги, работающий на однокомпонентном топливе.

Предлагаемое в изобретении устройство для каталитического разложения перекиси водорода может представлять собой ракетный двигатель малой тяги, работающий на двухкомпонентном топливе, причем камера разложения может дополнительно иметь вход для горючего, обеспечивающий поступление горючего из соответствующего бака и расположенный так, чтобы обеспечивать сжигание горючего с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода.

Предлагаемое в изобретении устройство может представлять собой ракетный двигатель малой тяги, работающий на гибридном топливе, и может дополнительно содержать твердое горючее, сжигаемое с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода.

Предлагаемое в изобретении устройство может дополнительно содержать средства для разделения водяного пара и кислорода, образующихся при разложении перекиси водорода.

Предлагаемое в изобретении устройство может представлять собой топливный элемент и может дополнительно содержать анод, содержащий катализатор, катод, электрически соединяемый с анодом через нагрузку, и электролит, отделяющий анод от катода и обеспечивающий возможность движения ионов водорода от анода к катоду.

Предлагаемое в изобретении устройство может входить в состав оборудования космического аппарата.

Объектом настоящего изобретения также является способ создания тяги, включающий: использование катализатора, содержащего активный слой на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия, для катализа разложения высококонцентрированной перекиси водорода с получением газообразного рабочего тела; и направленный выброс газообразного рабочего тела через сопло для создания тяги, причем высококонцентрированная перекись водорода имеет концентрацию от 80% до 100%.

Предлагаемый в изобретении способ дополнительно может включать сжигание горючего с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода, с получением газообразного рабочего тела.

Объектом настоящего изобретения также является применение катализатора, содержащего активный слой на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия, для катализа разложения высококонцентрированной перекиси водорода, причем высококонцентрированная перекись водорода имеет концентрацию от 80% до 100%.

Краткое описание чертежей

Ниже рассматриваются варианты осуществления настоящего изобретения, приведенные лишь в качестве примера и поясняемые чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - катализатор разложения перекиси водорода в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 - ракетный двигатель малой тяги, работающий на однокомпонентном топливе, в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 - ракетный двигатель малой тяги, работающий на двухкомпонентном топливе, в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 4 - ракетный двигатель малой тяги, работающий на гибридном топливе, в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 5 - газогенератор в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 6 - топливный элемент в одном варианте осуществления настоящего изобретения; и

на фиг. 7 - показанный на фиг. 2 ракетный двигатель малой тяги, соединенный с резервуаром перекиси водорода, в одном варианте осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлен катализатор разложения перекиси водорода. Катализатор 102 содержит платиновый активный слой 102-1 на поверхности носителя, содержащего гамма-оксид алюминия (γ-Al₂O₃) 102-2, т.е. оксид алюминия в гамма-фазе (гамма-модификации). В рассматриваемом варианте осуществления изобретения носитель катализатора также содержит основу 102-3 из алюминия, на которой в качестве поверхностного слоя расположен гамма-оксид алюминия γ-Al₂O₃ 102-2. Гамма-оксид алюминия γ-Al₂O₃ 102-2 действует в качестве пассивирующего слоя на алюминиевой основе 102-3, защищая ее от дальнейшего окисления при разложении H₂O₂.

Как показано на фиг. 1, вследствие контакта перекиси водорода H₂O₂ с катализатором 102 происходит ее разложение на газообразный водород и газообразный кислород. Поскольку такое разложение является высокоэкзотермическим, выделившийся газообразный водород затем сгорает в присутствии кислорода с образованием водяного пара. Таким образом, итоговую реакцию разложения можно представить следующим образом:

2H₂O₂=2H₂O+O₂ (+теплота)

В других вариантах осуществления изобретения носитель катализатора может не иметь алюминиевой основы 102-3. Например, в еще одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активный слой платины (Pt) на подложке, целиком состоящей из Al₂O₃. Также, хотя в рассматриваемом варианте осуществления изобретения для активного слоя 102-1 используется платина, в других вариантах осуществления изобретения активный слой может содержать отличный от платины материал, например, может использоваться серебро или иной переходный металл.

Исследования, проведенные авторами изобретения, показали, что применение гамма-оксида алюминия в качестве носителя для катализатора разложения перекиси водорода улучшает стабильность носителя, а также катализатора в целом при высоких температурах, создаваемых в камере разложения во время разложения перекиси водорода.

На фиг. 2 и 7 представлено устройство для разложения перекиси водорода в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Устройство 200 содержит камеру 204 разложения, имеющую вход 206, обеспечивающий поступление перекиси водорода (H₂O₂) из резервуара 716.

Устройство также содержит катализатор 202, расположенный в камере 204 разложения для катализа разложения перекиси водорода, поступающей через вход 206. При этом под камерой разложения понимается емкость, в которой происходит разложение H₂O₂. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения камера 204 разложения выполнена в виде полого цилиндрического тела, но в других вариантах осуществления изобретения камера разложения может иметь иную форму. Катализатор аналогичен катализатору, показанному на фиг. 1, и содержит активный платиновый слой на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия γ-Al₂O₃. Катализатор может иметь любую физическую форму, включая, помимо прочего, брикетированную (таблетированную), гранулированную или монолитную формы.

Как показано на фиг. 7, резервуар 716 установлен с возможностью подачи перекиси водорода на вход 206 камеры разложения. В резервуаре 716 может храниться перекись водорода с любой концентрацией, составляющей от 80% и до 100% включительно, поскольку прочный носитель с гамма-оксидом алюминия γ-Al₂O₃ позволяет катализатору 202 выдерживать длительные периоды работы при высоких температурах, присущих разложению высококонцентрированной перекиси водорода. Если концентрация перекиси водорода меньше 100%, примесью может быть вода.

В рассматриваемом варианте осуществления изобретения устройство 200 применяется в качестве ракетного двигателя малой тяги, работающего на однокомпонентном топливе, и дополнительно содержит сопло 208, сообщающееся с камерой 204 разложения. Сопло 208 выполнено с возможностью выброса горячей газовой смеси из водяного пара (H₂O) и кислорода (O₂) как газообразного рабочего тела ракетного двигателя в определенном направлении для создания тяги. Поскольку в данном варианте осуществления изобретения перекись водорода используется в качестве топлива, резервуар 716 также можно назвать топливным баком. Вместе с тем, возможности осуществления изобретения не ограничиваются применением предлагаемого устройства в ракетных двигателях малой тяги. В других вариантах осуществления изобретения катализатор может использоваться для разложения H₂O₂ и в других случаях применения.

Результаты испытаний, полученные для ракетного двигателя малой тяги, работающего на однокомпонентном топливе, представляющем собой перекись водорода, такого как двигатель, представленный на фиг. 2, с применением катализатора, имеющего представленную на фиг. 1 структуру, показали, что эффективность работы ракетного двигателя малой тяги на протяжении периода с удлиненными во времени включениями двигателя, повысилась по сравнению с ракетными двигателями малой тяги, в которых используются обычные катализаторы на основе серебра.

Ниже со ссылкой на фиг. 3-6 рассматриваются примеры других типов устройств, в которых используются катализаторы, подобные представленном на фиг. 1.

На фиг. 3 представлен ракетный двигатель 300 малой тяги, работающий на двухкомпонентном топливе, в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Аналогично показанному на фиг. 2 ракетному двигателю 200 малой тяги, работающему на однокомпонентном топливе, двигатель 300 малой тяги, работающий на двухкомпонентном топливе, в рассматриваемом варианте осуществления изобретения содержит катализатор 302, расположенный в камере 304 разложения, имеющей вход 306, обеспечивающий поступление перекиси водорода, и сопло 308, сообщающееся с камерой 304 разложения для создания тяги за счет выброса газообразного рабочего тела в определенном направлении. Камера разложения дополнительно имеет вход 310 для горючего, обеспечивающий поступление горючего из соответствующего бака. Вход для горючего расположен так, чтобы обеспечивать сжигание горючего с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода, с образованием газообразного рабочего тела, которое затем выбрасывается из сопла 308.

На фиг. 4 представлен ракетный двигатель 400 малой тяги, работающий на гибридном топливе, в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Как и в случае вариантов осуществления изобретения, показанных на фиг. 2 и 3, ракетный двигатель 400 малой тяги, работающий на гибридном топливе, в рассматриваемом варианте осуществления изобретения содержит катализатор 402, камеру 404 разложения, вход 406 и сопло 408. Кроме того, ракетный двигатель 400 малой тяги, работающий на гибридном топливе, дополнительно содержит твердое горючее 410, расположенное в камере 404 разложения. Твердое горючее 410 расположено с возможностью его сжигания с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода, в результате чего образуется газообразное рабочее тело, которое может выбрасываться из сопла 408 для создания тяги. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения твердое горючее 410 выполнено в виде кольцевого тела, расположенного внутри камеры 404 разложения, но в других вариантах осуществления изобретения твердое горючее 410 может быть предусмотрено и в других физических формах.

На фиг. 5 представлен газогенератор 500 в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Газогенератор 500 содержит катализатор 502, камеру 504 разложения и вход 506, аналогично описанным выше вариантам осуществления изобретения. Однако вместо сопла газогенератор дополнительно содержит выход 508, обеспечивающий перемещение газообразною кислорода и водяного пара из камеры разложения в сепаратор 510.

Сепаратор 510 выполнен с возможностью отделения водяного пара от кислорода и имеет выход кислорода и выход воды. Вообще, сепаратор 510 может содержать любые средства для разделения водяного пара и кислорода. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения сепаратор 510 содержит охладитель 512, способный охлаждаться до температуры, достаточно низкой для того, чтобы обеспечивать конденсацию водяного пара, поступающего из камеры 504 разложения, без конденсации кислорода. Охладитель 512 может представлять собой, например, змеевик, через который может пропускаться жидкий хладагент, термоэлектрическое охлаждающее устройство на основе эффекта Пельтье или любой иной подходящий охлаждающий элемент.

Хотя в рассматриваемом варианте осуществления изобретения сепаратор 510 расположен вне камеры 504 разложения, в других вариантах осуществления изобретения сепаратор 510 может быть помещен в саму камеру 504 разложения.

На фиг. 6 представлен топливный элемент 600 в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Топливный элемент 600 содержит катализатор 602, расположенный в камере 604 разложения, имеющей вход 606 для перекиси водорода. Катализатор 602 образует анод топливного элемента 600, который также содержит катод 612 и твердый электролит 610, отделяющий анод 602 от катода 612.

Принципы действия топливных элементов хорошо известны, и их подробное описание здесь не рассматривается. Вкратце же, анод 602 и катод 612 расположены с возможностью их электрического соединения через нагрузку 614, чтобы от анода 602 к катоду 612 через нагрузку 614 мог проходить поток электронов. Нагрузкой 614 может быть любое устройство, потребляющее электрическую энергию. Анод 602, содержащий катализатор, например, показанный на фиг. 1 катализатор, генерирует водород и кислород из перекиси водорода за счет ее каталитического разложения. Анод 602 и катод 612 разделены электролитом 610, обеспечивающим возможность движения ионов водорода от анода к катоду. На катоде 612 ионы водорода восстанавливаются с образованием газообразного водорода.

Выше были рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения, в которых для катализа разложения перекиси водорода используется катализатор, содержащий активный слой на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия. Каталитическое разложение перекиси водорода может использоваться для получения газообразного рабочего тела, выбрасываемого из сопла в определенном направлении для создания тяги. Газообразное рабочее тело может содержать водяной пар и кислород, как в случае ракетного двигателя малой тяги, работающего на однокомпонентном топливе, например, показанного на фиг. 2, или может включать в себя продукты реакции сгорания жидкого или твердого горючего с кислородом, образующимся в результате разложения перекиси водорода, как в случае показанного на фиг. 3 ракетного двигателя малой тяги, работающего на двухкомпонентном топливе, или показанного на фиг. 4 ракетного двигателя малой тяги, работающего на гибридном топливе.

Устройство по любому из описанных выше вариантов осуществления изобретения может входить в состав оборудования космического аппарата, такого как спутник или космический корабль. Например, любой из показанных на фиг. 2-4 ракетных двигателей малой тяги может использоваться на космическом аппарате для создания тяги, показанный на фиг. 5 газогенератор может использоваться для выработки кислорода и воды с целью их потребления человеком или в других целях, а топливный элемент, показанный на фиг. 6, может использоваться для выработки электрической энергии с целью энергоснабжения бортовых систем космического аппарата или для наземных применений, в том числе воздушных, морских и сухопутных операций.

Хотя выше возможности осуществления изобретения были рассмотрены на примере конкретных вариантов, представленных на чертежах, следует иметь в виду, что при осуществлении изобретения в эти варианты можно внести множество изменений, не выходя за рамки объема охраны изобретения, определяемого его формулой.

Группа изобретений относится к ракетной технике. Устройство для разложения перекиси водорода содержит камеру разложения с расположенным внутри нее катализатором, выполненную с возможностью поступления в нее перекиси водорода с концентрацией от 80% до 100% из резервуара для хранения. Катализатор разложения перекиси водорода содержит активный слой на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия. Носитель также может содержать алюминий, а гамма-оксид алюминия расположен на поверхности алюминия в качестве пассивирующего слоя. Активный слой может содержать платину. Устройство представляет собой ракетный двигатель малой тяги, содержащий сопло, обеспечивающее создание тяги за счет направленного выброса газообразного рабочего тела. Обеспечивается создание более прочного катализатора разложения перекиси водорода с концентрацией от 80% до 100%, что повышает эффективность работы двигателя за счет создания большей тяги. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство (200; 300; 400; 500; 600) для каталитического разложения перекиси водорода, содержащее:

- камеру (204; 304; 404; 504; 604) разложения, имеющую вход (206; 306; 406; 506; 606), обеспечивающий поступление высококонцентрированной перекиси водорода;

- резервуар (716), выполненный с возможностью хранения перекиси водорода с концентрацией от 80% до 100% и установленный с возможностью подачи перекиси водорода на вход камеры разложения; и

- катализатор (102; 202; 302; 402; 502; 602), расположенный в камере разложения для катализа разложения высококонцентрированной перекиси водорода, поступающей через вход, причем катализатор содержит активный слой (102-1) на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия (102-2).

2. Устройство по п. 1, в котором носитель также содержит алюминий (102-3), а гамма-оксид алюминия расположен на поверхности алюминия в качестве пассивирующего слоя.

3. Устройство по п. 1, в котором активный слой содержит платину.

4. Устройство по п. 1, в котором катализатор находится в брикетированной, гранулированной или монолитной форме.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, которое представляет собой ракетный двигатель (200; 300; 400) малой тяги и дополнительно содержит сопло (208; 308; 408), сообщающееся с камерой разложения и обеспечивающее создание тяги за счет направленного выброса газообразного рабочего тела, образующегося при разложении перекиси водорода.

6. Устройство по п. 5, которое представляет собой ракетный двигатель (300) малой тяги, работающий на двухкомпонентном топливе, причем камера разложения дополнительно имеет вход (310) для горючего, обеспечивающий поступление горючего из соответствующего бака и расположенный так, чтобы обеспечивать сжигание горючего с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода.

7. Устройство по п. 5, которое представляет собой ракетный двигатель (400) малой тяги, работающий на гибридном топливе, и дополнительно содержит твердое горючее (410), сжигаемое с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода.

8. Устройство по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащее средства (510, 512) для разделения водяного пара и кислорода, образующихся при разложении перекиси водорода.

9. Устройство по любому из пп. 1-4, которое представляет собой топливный элемент (600) и дополнительно содержит:

- анод (602), содержащий катализатор;

- катод (612), электрически соединяемый с анодом через нагрузку (614); и

- электролит (610), отделяющий анод от катода и обеспечивающий возможность движения ионов водорода от анода к катоду.

10. Космический аппарат, содержащий устройство по любому из предыдущих пунктов.

11. Способ создания тяги, включающий:

- использование катализатора, содержащего активный слой (102-1) на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия (102-2), для катализа разложения высококонцентрированной перекиси водорода с получением газообразного рабочего тела; и

- направленный выброс газообразного рабочего тела через сопло для создания тяги,

причем высококонцентрированная перекись водорода имеет концентрацию от 80% до 100%.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий сжигание горючего с кислородом, образующимся при разложении перекиси водорода, с получением газообразного рабочего тела.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором перекись водорода имеет концентрацию 100%.

14. Применение катализатора, содержащего активный слой (102-1) на носителе, содержащем гамма-оксид алюминия (102-2), для катализа разложения высококонцентрированной перекиси водорода, причем

высококонцентрированная перекись водорода имеет концентрацию от 80% до 100%.