Электролиз воды для получения кислорода в системе «электрон-вм» на международной космической станции

Редактор HTML кодаПеренос строк

АО «НИИхиммаш», г. Москва

С 2000 г. на Международной космической станции (МКС) работает российская система генерации кислорода (СГК) «Электрон-ВМ» [1]. СГК получает кислород для дыхания экипажа (максимум на 6 человек) путем электролиза воды с циркуляцией щелочного электролита (раствор КОН концентрацией 25 % по массе) через катодные и анодные камеры электролизера, с дальнейшим разделением газожидкостной смеси (ГЖС) в статических разделителях на пористых диафрагмах и каталитической очисткой кислорода. Технологический блок (ТБ) СГК реализует все процессы. В ТБ »3 литра электролита. Масса ТБ 160 кг из 164 кг всей СГК. На МКС наибольшая наработка (без учета стоянок) ТБ составляет 1265 суток до отказа в 2006-11 гг. и 1148 суток без отказа с 2011 г. по настоящее время (31.08.2016 г.), при общем времени эксплуатации этих ТБ (с момента заправки электролитом при изготовлении) 5,5 и 8,5 лет. ТБ при штатном токе питания электролизера 10-64 А производит 25-160 л/час О₂ и 50-320 л/час Н₂ (здесь и ниже объемы даны для нормальных условий). Техническое обслуживание СГК не проводится, кроме включения ТБ на 5 часов через каждые 6 месяцев при хранении.

Электролизер в составе ТБ - конструкция фильтр-прессного типа, состоит из 12 электролизных ячеек при биполярной схеме включения. Диаметр электролизера 282 мм, высота 121 мм, вес 26 кг. На Земле электролизер имел длительные испытания на токе питания 80 А, а в нештатной ситуации (на испытаниях после изготовления) 2 часа работал на токе питания »130 А, с последующей наработкой 456 суток на МКС без ухудшения характеристик. На Земле наибольшее время эксплуатации электролизеров в составе ТБ на сегодня достигло 14 и 11 лет, с наработкой 640 и 841 сутки с полным сохранением работоспособности и без проведения технического обслуживания.

В электролизной ячейке между двумя токоподводами из листа никеля находятся водородная камера с катодом и кислородная камера с анодом, каждая в виде пакета из трех сеток диаметром 198 мм (т.е. штатная плотность тока 0,03-0,21 А/см²). Камеры разделены диафрагмой из пористого картона асбестового толщиной 0,5 мм. В пакете со стороны токоподвода крупноячеистая сетка (сталь 12Х18Н10Т, покрытая никелем) образует полость камеры. В пакете со стороны диафрагмы две мелкоячеистые сетки из никеля образуют электрод, при этом на одну сетку, которая примыкает к диафрагме, электрохимическим методом дополнительно нанесен слой никеля так, что образуется пористая структура на поверхности. Далее, на пакет из трех сеток электрохимическим методом (с сохранением пористой структуры) наносят комбинированный катализатор из Pt (87 % по массе) и Pd (13 %), одинаковый для катода и анода. Масса катализатора 1,9 ± 0,4 г. Все детали конструкции (сетки, токоподводы, диафрагма) плотно прижаты друг к другу, без свободного пространства между ними. Герметичность обеспечивается торцевыми прокладками из резины. Для подачи электролита и отвода ГЖС ячейки параллельно соединены коллекторами, расположенными в прокладках и токоподводах. Течение потоков в Н₂ и О₂ камерах ячейки перекрестное относительно друг друга.

В электролизере: температура 18-32 °С (данные эксплуатации), абсолютное давление »150 кПа с перепадом между катодной и анодной камерами менее 2 кПа, отвод выделяющегося при электролизе тепла идет за счет циркуляции электролита.

За весь срок работы СГК на МКС, напряжение на электролизной ячейке (1/12 от измеряемого на борту напряжения электролизера) было 1,58-1,85 В (среднее 1,70 В при среднем токе 28 А; т.е. среднее удельное энергопотребление 8,14 Вт-час/л О₂ при теоретическом минимуме, без потерь, для электролиза жидкой воды 7,08 Вт-час/л О₂ ). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) электролизной ячейки – прямая (точнее, чем логарифм, аппроксимирует данные), с температурным коэффициентом 0,006 В/°С:

Uя = 1,557 + 1,323 * i – 0,006 * (Тэл – 25).

Где: Uя - напряжение на ячейке, В; i - плотность тока, А/см²; Тэл - температура процесса электролиза, °С (для ВАХ за исходную взята температура +25 °С).

При наземных испытаниях электролизера (измеряется напряжение каждой из 12 ячеек) при максимальном штатном токе электролиза 64 А разброс в напряжении между ячейками электролизера максимум 0,08 В (для большинства ячеек не более 0,04 В).

Взаимное содержание электролизных газов определяется их диффузией через межполостную диафрагму в электролизере. Диффузный поток Н₂ в О₂ в электролизере »0,20 л/час, т.е. объемное содержание Н₂ в О₂ (до его очистки) падает с ростом тока электролиза. После каталитической очистки О₂ объемное содержание Н₂ »0,08 % [2]. Объемное содержание О₂ в Н₂ по всем существующим замерам составляет 0,01-0,05 %.

При эксплуатации СГК «Электрон-ВМ» на МКС и при ее ресурсных испытаниях на Земле ухудшения характеристик электролизера (рост напряжения, рост взаимного содержания О₂ и Н₂ ) при выработке его ресурса не обнаружено. Величина напряжения на электролизере возвращается на прежний уровень после устранения нештатных ситуаций (отсутствие подачи электролита, загрязнение электролита и др.). Щелевая коррозия в электролизере конструктивно подавлена в максимальной степени. На борту МКС не было никаких отказов СГК из-за электролизера в составе ТБ. Ресурс работы для электролизера не выявлен, и оценивается не менее 7 лет наработки.

На модельной электролизной ячейке (полностью идентичной ячейке штатного электролизера СГК) при исследованиях технологии нанесения катализатора получена обобщенная ВАХ для плотностей тока 0,05-1,04 А/см² и температур процесса 18-32 °С, которая аппроксимируется многочленом 3-й степени (расхождения менее 0,01 В):

Uя = 1,5388 + 0,2992 * i ³ – 0,7521 * i ² + 1,2707 * i – 0,006 * (Тэл – 25).

Эта ВАХ получена по 23 отдельным ВАХ для 9 модельных ячеек. Суммарное время наработки всех ячеек - 122 суток. Максимальный разброс напряжений отдельных ВАХ друг от друга: от 0,08 В для плотности тока 0,05 А/см² до 0,22 В для 1,04 А/см².

Главное направление развития электрохимии СГК «Электрон-ВМ»: определить предел ресурса электролизера и исследовать его характеристики при изменении в ходе длительной работы химического состава электролита. Это связано с использованием на борту МКС (в ближайшей перспективе) для СГК воды из систем переработки мочи и углекислого газа, в которой будет повышенное содержание микропримесей. Другие направления: снизить удельное энергопотребление за счет развития катализатора на электродах и роста температуры электролиза (ввести рекуперацию тепла) и, если будет поставлена задача, повысить производительность по кислороду до 320 л/час. 

Литература

1. Прошкин В.Ю., Курмазенко Э.А. Система генерации кислорода «Электрон-ВМ» на борту Международной космической станции. // Пилотируемые полеты в космос. 2013. № 3 (8). С. 84-99.

2. Прошкин В.Ю., Курмазенко Э.А. Российская система генерации кислорода «Электрон-ВМ»: содержание водорода в электролизном кислороде для дыхания экипажа Международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2014. Т. 48. № 1. С. 65-68.

АО «НИИхиммаш», г. Москва

ОбновитьОтменить