УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ ОБИТАЕМЫХ ГЕРМООБЪЕКТОВ И СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ Советский патент 2012 года по МПК C25B9/00 C25B1/00 

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии, точнее к способам высокотемпературного электролиза и электрохимическим устройствам с твердым электролитом на основе двуокиси циркония. Изобретение может быть использовано для регенерации газовой атмосферы замкнутых объемов в системах жизнеобеспечения обитаемых космических кораблей.

Известно лабораторное устройство для высокотемпературного электрохимического разложения углекислого газа, воды или их смеси (Труды Института электрохимии УНЦ АН СССР, вып. №26, стр.102, 1978 г.). Устройство состоит из нагревателя, испарителя воды, конденсаторов паров воды, неразложившихся в электролизере и непосредственно батареи высокотемпературного электролизера с твердым электролитом на основе двуокиси циркония и газодиффузионными электродами. Если углекислый газ при нормальных условиях может непосредственно поступать в батарею, то воду необходимо предварительно нагреть и испарить. После этого газовая смесь углекислого газа и воды из испарителя поступают в катодную полость батареи электролизера. Под действием постоянного тока поступившие реагенты разлагаются на кислород и CO+H₂, причем ионизированный кислород проходит через твердый электролит, выделяется в анодной полости на кислородном электроде и может использоваться по назначению. Остаток неразложившейся воды из газа конденсируется в жидкость в конденсаторе.

К недостаткам способа и устройства следует отнести недостаточный срок службы и ухудшение к концу срока удельных характеристик. Ухудшения начинаются после трехсот часов работы и достигают недопустимых величин после 1,5÷2 тысяч часов.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) следует считать аппарат для регенерации газовой атмосферы, в котором объединены в единой конструкции испаритель, конденсатор и нагреватель батареи высокотемпературного электролизера (авт. св-во СССР № 1840818).

Реагенты последовательно проходят испаритель, батарею и конденсаторы. В батарее реагенты разлагаются постоянным током, при этом кислород собирается в отдельной анодной полости, а остаток неразложившейся воды конденсируется в жидкость. Кислород и вода, пригодные для употребления, возвращаются для использования человеком по назначению.

К недостаткам известной конструкции аппарата и способа регенерации следует отнести относительно малый срок службы. После трехсот часов работы начинают ухудшаться удельные характеристики аппарата, которые достигают недопустимых величин после 1,5÷2 тысяч часов.

Целью настоящего изобретения является способ регенерации газовой атмосферы и аппарат для его реализации, позволяющие увеличить срок службы и повысить удельные характеристики аппарата в конце срока службы.

Указанная цель достигается тем, что реагенты, подлежащие разложению, поочередно вводят то на вход аппарата, то на выход, причем смену направления движения реагентов осуществляют по достижении поляризационного напряжения на первом элементе по потоку газа до 50-70 мВ. Для этого аппарат имеет дополнительно реверсирующее (коммутирующее) устройство для смены направлений газовых потоков, расположенное в тепловой зоне аппарата, исключающей конденсацию паров воды. Электрический сигнал для переключения может поступать с элементов, снабженных зондами, которые вследствие переключений могут стать первыми по газовому потоку.

На чертеже изображена блок-схема аппарата для регенерации газовой атмосферы, состоящего из батарей элементов 1, 2, 3 с твердым электролитом, реверсирующего (коммутирующего) устройства (КУ) 4, испарителя (И) 5, конденсатора (К) 6, нагревателя 7 и электрических зондов 8.

Батареи цилиндрических элементов изготовлены из твердого электролита состава 0,91 ZrO₂ + 0,09 Se₂O₃, платиновых газодиффузионных электродов, нанесенных методом вжигания паст и выходящих на противоположные торцы элементов. Последовательное электрическое и механическое соединение элементов и механическое соединение элементов осуществляли термокомпрессионной сваркой. В качестве реверсирующего (коммутирующего) устройства использовали специально изготовленный многоходовой кран с обечайкой из фторопласта и вкладышем из нержавейки для надежной работы при +150°С. Поляризационное напряжение замеряли цифровым вольтметром Щ 68000 между газотокоподводом и зондом 8. По достижении величины напряжения значения уставки вольтметр выдает электрический сигнал исполняющему механизму для перевода многоходового крана на один шаг (ход). В исходном положении вода подается в испаритель 5 и через реверсирующее устройство 4 в последовательно соединенные по газу батареи 1, 2, 3, с выхода третьей батареи водород с остатком воды поступают в конденсатор-разделитель 6, из которого водород и вода идут по своим каналам. Путь газов в исходном I-м положении указан на чертеже стрелками. После перевода многоходового крана во II-м положение батареи также остаются последовательно соединенными, только газ входит во 2-ю батарею, проходит 3-ю и выходит из 1-й батареи. При этом напряжение уже измеряют на входном (первом) элементе, зондом 8 второй батареи. В III-м положении соответственно газ входит в 3-ю батарею, проходит через 1-ю и выходит через 2-ю. Затем цикл во времени повторяется. Каждая из батарей может представлять собой несколько соединенных параллельно по газу и току электролизных модулей. В каждой батарее разлагается 30÷33% входящих реагентов, а переключение осуществляют через 60-80 часов, т.е. полный цикл коммутации газовых потоков составляет 180-240 часов. Время и процент разложения авторами выбраны на основании исследований обратимости электродных процессов на элементах в атмосфере, богатой по воде. При увеличении поляризационного напряжения выше 70 мВ появляется необратимость электродных процессов. Осуществлять переключение при достижении менее 50 мВ нецелесообразно, т.к. увеличиваются энергозатраты на само переключение.

Благодаря использованию предлагаемого способа и конструкции аппарата срок его службы увеличивается не менее чем в 2÷3 раза. При этом удельные электрохимические характеристики аппарата через 3÷4 тысячи часов работы при 900°С (поляризационные потери) в 10-30 раз меньше. Все это позволяет существенно повысить срок службы и надежность работы аппарата для регенерации газовой атмосферы замкнутых объемов космических кораблей, подводных лодок и т.п.

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии, а именно к устройствам высокотемпературного электролиза с твердым электролитом на основе двуокиси циркония, и может быть использовано для регенерации газовой атмосферы замкнутых объемов в системах жизнеобеспечения обитаемых космических кораблей. Увеличение срока службы аппарата и улучшение удельных электрохимических характеристик аппарата в процессе регенерации газовой атмосферы является техническим результатом изобретения, который обеспечивается за счет того, реагенты, подлежащие восстановлению, поочередно, вводят то на вход устройства, то на выход, причем смену направления движения реагентов осуществляют по достижении поляризационного напряжения на первом элементе по потоку газа до 50-70 мВ. Аппарат для регенерации газовой атмосферы состоит из испарителя, конденсатора, нагревателя и высокотемпературного электролизера с твердым электролитом на основе двуокиси циркония с газодиффузионными электродами, причем в сеть подачи разлагающихся реагентов помещают резервирующее устройство, соединенное с испарителем, конденсатором и электролизером, которое изменяет направление газовых потоков по электрическому сигналу с элемента стоящего на входе, и расположено в тепловой зоне аппарата, исключающей конденсацию паров воды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для регенерации газовой атмосферы обитаемых гермообъектов, включающая испаритель, конденсатор, нагреватель и последовательно соединенные высокотемпературные электролизеры с твердым электролитом на основе диоксида циркония с газодиффузионными электродами и патрубками ввода и вывода газов, отличающаяся тем, что, с целью увеличения срока ее службы, установка снабжена газореверсивным устройством, соединенным с испарителем, конденсатором и патрубками ввода и вывода газов в электролизерах, и размещена вне зоны конденсации воды.

2. Способ регенерации газовой атмосферы обитаемых гермообъектов путем электролиза через последовательно соединенные электролизеры, с твердым электролитом на основе двуокиси циркония, отличающийся тем, что исходные газы поочередно подают в патрубки ввода и вывода первого электролизера по ходу движения газов и переключение потоков осуществляют по достижении поляризационного напряжения в первом электролизере по ходу движения газов 50-70 мВ.