RU2323858C2 - Power plant for spacecraft with electrical generator - Google Patents
Power plant for spacecraft with electrical generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2323858C2 RU2323858C2 RU2005132010/11A RU2005132010A RU2323858C2 RU 2323858 C2 RU2323858 C2 RU 2323858C2 RU 2005132010/11 A RU2005132010/11 A RU 2005132010/11A RU 2005132010 A RU2005132010 A RU 2005132010A RU 2323858 C2 RU2323858 C2 RU 2323858C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- fuel
- cleaned
- electrochemical generator
- spacecraft
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 51
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 51
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 17
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 17
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 12
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 claims 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 abstract description 6
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 101150082690 Pou3f1 gene Proteins 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical compound C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 239000002760 rocket fuel Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится космической технике и может использоваться в системах энергообеспечения перспективных космических аппаратов (КА), содержащих как ракетные двигатели для создания тяги, так и электрохимические генераторы (ЭХГ) с топливными элементами (ТЭ) для обеспечения КА электроэнергией и теплом.The invention relates to space technology and can be used in energy supply systems of advanced spacecraft (SC), containing both rocket engines to create thrust, and electrochemical generators (ECG) with fuel cells (TE) to provide the spacecraft with electricity and heat.
В последнее время при разработке космических систем (в частности, многоразовых систем, а также систем, предназначенных для длительной работы в космосе) часто используются объединенные энергетические установки, в которых за счет общих компонентов топлива (кислорода и водорода) обеспечивается работа не только ракетных двигателей (РД), но и бортовой системы энергообеспечения КА. Основным элементом таких систем является электрохимический генератор (ЭХГ) с кислородо-водородными топливными элементами (ТЭ). Высокая степень интегрированности объединенных «энергодвигательных» установок КА, а также возможность использовать воду как средство долговременного хранения энергии с высокой удельной плотностью делает целесообразным использование подобных технических решений для КА, предназначенных для дальних космических полетов [1] (аналог).Recently, in the development of space systems (in particular, reusable systems, as well as systems designed for long-term operation in space), combined power plants are often used in which, thanks to common fuel components (oxygen and hydrogen), not only rocket engines ( RD), but also the onboard power supply system of the spacecraft. The main element of such systems is an electrochemical generator (ECG) with oxygen-hydrogen fuel cells (FC). The high degree of integration of the combined “power-propelled” spacecraft installations, as well as the ability to use water as a means of long-term energy storage with high specific gravity, makes it advisable to use similar technical solutions for spacecraft designed for long-distance space flights [1] (analog).
Общим недостатком подобных технических решений является то, что далеко не во всех КА целесообразно использовать в качестве горючего РД водород, необходимый для работы ЭХГ. Использование в качестве основного горючего на борту КА водорода связано с целым рядом проблем, таких как габаритно-весовые характеристики систем хранения, ресурс хранения, взрывобезопасность и т.д.A common drawback of such technical solutions is that far from all spacecraft it is advisable to use the hydrogen necessary for the operation of ECG as a fuel RD. The use of hydrogen as the main fuel onboard the spacecraft is associated with a number of problems, such as the overall weight characteristics of storage systems, storage life, explosion safety, etc.
Более близким к предлагаемому техническому решению является комическая энергосистема, в которой общим компонентом топлива для РД и ЭХГ является лишь кислород. Горючим же для РД являются, например, традиционные углеводороды или спирты [2] (прототип). В таких энергосистемах водород для ЭХГ хранится в отдельных блоках хранения, не связанных с РД. Однако количество водорода, хранимого на борту для нужд ЭХГ, неизмеримо меньше, чем требуется для работы РД. Системы хранения водорода в этом случае достаточно компактны, от них не требуется большой ресурс хранения водорода, и они сравнительно безопасны.Closer to the proposed technical solution is a comic energy system in which the common fuel component for RD and ECG is only oxygen. The fuel for RD are, for example, traditional hydrocarbons or alcohols [2] (prototype). In such power systems, hydrogen for ECG is stored in separate storage units that are not associated with taxiways. However, the amount of hydrogen stored on board for the needs of ECG is immeasurably less than is required for the operation of the taxiway. The hydrogen storage systems in this case are quite compact, they do not require a large hydrogen storage resource, and they are relatively safe.
Недостатком прототипа является то, что:The disadvantage of the prototype is that:
- на борту КА приходится использовать два различных типа горючего (жидкое - для РД и водород - для ЭХГ). Это в целом усложняет систему топливоснабжения КА и управление ее работой;- on board the spacecraft, two different types of fuel have to be used (liquid - for RD and hydrogen - for ECG). This generally complicates the spacecraft fuel supply system and its operation management;
- подобные гибридные системы топливоснабжения перестают себя оправдывать при длительных космических полетах, когда ЭХГ работает долго и требуются значительные количества водорода. В этом случае гибридные системы приобретают те же недостатки, что и системы, принятые за аналог [1].- such hybrid fuel supply systems are no longer justified during long space missions, when the ECG works for a long time and significant amounts of hydrogen are required. In this case, hybrid systems acquire the same disadvantages as the systems adopted as an analogue [1].
Задачей предлагаемого технического решения является, таким образом, разработка объединенной системы энергообеспечения КА, включающей РД, работающие на жидком горючем, и ЭХГ с кислородо-водородными ТЭ, и объединенными не только по окислителю (O2), но и по горючему, в качестве которого используются традиционные для РД углеводороды или спирты. Кроме того, задачей технического решения является разработка схемы энергодвигательной установки, адаптированной для длительных космических полетов с использованием традиционных видов ракетного топлива.The objective of the proposed technical solution is, therefore, the development of an integrated power supply system for spacecraft, including RD, operating on liquid fuel, and ECG with oxygen-hydrogen fuel cells, and combined not only for oxidizing agent (O 2 ), but also for fuel, which traditional hydrocarbons or alcohols are used for RD In addition, the objective of the technical solution is to develop a scheme of an energy propulsion system adapted for long space flights using traditional types of rocket fuel.
Задача решается тем, что в энергетической установке космического аппарата с электрохимическим генератором, включающей ракетный двигатель и соединенную с ним систему хранения и подачи углеводородного горючего, электрохимический генератор, а также систему хранения и подачи кислорода, соединенную как с ракетным двигателем, так и с электрохимическим генератором, состав энергетической установки дополнен последовательно соединенными риформером парциального окисления и разделителем газов с выходными магистралями по очищенному и неочищенному водороду, также пусковым водородным буфером, подключенным к электрохимическому генератору, при этом вход риформера парциального окисления подключен к системам хранения и подачи углеводородного горючего и кислорода, выходная магистраль разделителя газов по очищенному водороду подключена к пусковому водородному буферу и к электрохимическому генератору, а выходная магистраль разделителя газов по неочищенному водороду соединена с ракетным двигателем, использующим неочищенный водород в качестве горючего.The problem is solved in that in a power plant of a spacecraft with an electrochemical generator, including a rocket engine and a storage system for supplying and supplying hydrocarbon fuel, an electrochemical generator, and an oxygen storage and supply system connected to both the rocket engine and the electrochemical generator , the composition of the power plant is supplemented by series-connected partial oxidation reformer and gas separator with output lines through the cleaned and unclean hydrogen, also a hydrogen starting buffer connected to an electrochemical generator, while the partial oxidation reformer input is connected to hydrocarbon fuel and oxygen storage and supply systems, the outlet gas separator line through purified hydrogen is connected to a hydrogen starting buffer and to an electrochemical generator, and the output line the gas separator for raw hydrogen is connected to a rocket engine using crude hydrogen as fuel.
Суть данного изобретения заключается в том, что хотя РД и ЭХГ «энергодвигательной» установки КА работают на различном горючем (углеводородах и водороде соответственно), исходное топливо у них общее - это горючее РД. Водород же, необходимый для работы ЭХГ, получают на борту КА из горючего РД (углеводородов или спиртов) путем его риформинга (преобразования). При этом используется так называемое парциальное окисление горючего РД, в результате которого из углеводорода (или спирта) получают газовую смесь, состоящую в основном из окиси углерода и водорода [3]. После выделения водорода из этой смеси его направляют в ЭХГ, а оставшиеся газы (содержащие часть водорода, окись углерода и некоторые примеси) используют в качестве горючего для РД. При этом водородосодержащую газовую смесь, направляемую в РД, целесообразно использовать для поджига основного горючего в процессе запуска РД. Это обусловлено тем, что водород имеет минимальную среди других горючих энергию воспламенения от электрической искры [3].The essence of this invention lies in the fact that although the RD and ECG of the “energy-driven” spacecraft installation operate on various fuels (hydrocarbons and hydrogen, respectively), the initial fuel they have in common is the fuel of the RD. Hydrogen, which is necessary for the operation of ECG, is obtained onboard a spacecraft from a fuel taxiway (hydrocarbons or alcohols) by its reforming (conversion). In this case, the so-called partial oxidation of fuel RD is used, as a result of which a gas mixture is obtained from hydrocarbon (or alcohol), consisting mainly of carbon monoxide and hydrogen [3]. After the evolution of hydrogen from this mixture, it is sent to the ECG, and the remaining gases (containing part of the hydrogen, carbon monoxide and some impurities) are used as fuel for the RD. In this case, the hydrogen-containing gas mixture sent to the taxiway, it is advisable to use for ignition of the main fuel in the process of starting the taxiway. This is due to the fact that hydrogen has the minimum ignition energy from an electric spark among other combustibles [3].
Схема предлагаемой энергетической установки дана на чертеже, где обозначено:The scheme of the proposed power plant is given in the drawing, where it is indicated:
1 - ракетный двигатель; 2 - электрохимический генератор (ЭХГ); 3 - система хранения и подачи (СхиП) углеводородного горючего; 4 - система хранения и подачи (СхиП) кислорода; 5 - пусковой водородный буфер; 6 - риформер парциального окисления; 7 - разделитель газов; 8 - выход риформера по очищенному водороду; 9 - выход риформера по неочищенному водороду.1 - rocket engine; 2 - electrochemical generator (ECG); 3 - a storage and supply system (CXP) of hydrocarbon fuel; 4 - a system for storage and supply (SHiP) of oxygen; 5 - starting hydrogen buffer; 6 - reformer of partial oxidation; 7 - gas separator; 8 - reformer yield by purified hydrogen; 9 - output reformer on untreated hydrogen.
Следует подчеркнуть, в данной схеме ЭХГ (2) обеспечивается водородом от разделителя газов (7) и лишь во время запуска работает от пускового водородного буфера. Габаритно-весовые характеристики пускового водородного буфера (5) при этом незначительны.It should be emphasized that in this scheme the ECG (2) is provided with hydrogen from the gas separator (7) and only during start-up it works from the starting hydrogen buffer. The overall weight characteristics of the starting hydrogen buffer (5) are negligible.
В данной установке ракетный двигатель РД (1) соединен со СХиП углеводородного горючего (3) и со СХиП кислорода (4). Последняя соединена также с ЭХГ (2), к которому подключен также пусковой водородный буфер (5). Вход его подключен к выходной магистрали разделителя газов (7) по очищенному водороду (8). Выходная магистраль разделителя газов (7) по неочищенному водороду (9) подключена к ракетному двигателю (1).In this installation, the RD rocket engine (1) is connected to the SHiP of hydrocarbon fuel (3) and to the SHiP of oxygen (4). The latter is also connected to the ECG (2), to which the starting hydrogen buffer (5) is also connected. Its input is connected to the output line of the gas separator (7) via purified hydrogen (8). The output line of the gas separator (7) via untreated hydrogen (9) is connected to the rocket engine (1).
Вход разделителя газов (7) подключен к выходу риформера парциального окисления (6), который в свою очередь соединен со СХиП углеводородного горючего (3) и СХиП кислорода (4).The input of the gas separator (7) is connected to the output of the partial oxidation reformer (6), which, in turn, is connected to the SCiP of hydrocarbon fuel (3) and the SCiP of oxygen (4).
Работает данная установка следующим образом. Углеводородное горючее и кислород поступают в РД (1) КА из СХиП углеводородного горючего (3) и СХиП кислорода (4) соответственно.This installation works as follows. Hydrocarbon fuel and oxygen enter the SC (1) of the spacecraft from SC&P of hydrocarbon fuel (3) and SC&P of oxygen (4), respectively.
Одновременно данные компоненты топлива поступают и в риформер парциального окисления (6), где происходит химическая реакция, в результате которой образуется газовая смесь, содержащая окись углерода и водород. Эта смесь направляется в разделитель газов (7), где из нее выделяется чистый водород. По выходной магистрали (8) последний направляется в пусковой водородный буфер (5), где пополняет запас газа, израсходованного в процессе запуска системы, и поступает в ЭХГ (2).At the same time, these fuel components enter the partial oxidation reformer (6), where a chemical reaction occurs, which results in the formation of a gas mixture containing carbon monoxide and hydrogen. This mixture is sent to a gas separator (7), where pure hydrogen is released from it. On the output line (8), the latter is sent to the starting hydrogen buffer (5), where it replenishes the supply of gas consumed during the start-up of the system and enters the ECG (2).
Оставшаяся газовая смесь из разделителя газов (7) по его выходной магистрали с неочищенным водородом (9) поступает в РД (1).The remaining gas mixture from the gas separator (7) through its outlet line with crude hydrogen (9) enters the taxiway (1).
Таким образом, использование парциального окисления углеводородов (или спиртов) позволяет обеспечить работу ЭХГ без хранения на борту КА значительных количеств водорода. Это повышает интегрированность системы топливоснабжения КА, улучшает ее габаритно-весовые параметры и повышает взрывобезопасность полетов. Расширяются также возможности использования традиционных ракетных горючих для дальних космических полетов.Thus, the use of partial oxidation of hydrocarbons (or alcohols) makes it possible to ensure the operation of ECG without storing significant amounts of hydrogen on board the spacecraft. This increases the integration of the spacecraft fuel supply system, improves its overall weight and size parameters and increases the explosion safety of flights. The possibilities of using traditional rocket fuels for long-distance space flights are also expanding.
ЛитератураLiterature
1. «Использование электролизеров и ТЭ для космических полетов» AIAA-99-4609, США, 1999 г.1. "The use of electrolyzers and fuel cells for space flights" AIAA-99-4609, USA, 1999
2. Н.С.Лидоренко, Г.Ф.Мучник «Электрохимические генераторы». - М.: Электроиздат, 1982 г., стр.336.2. N. S. Lidorenko, G. F. Muchnik “Electrochemical Generators”. - M.: Electroizdat, 1982, p.336.
3. «Водород. Свойства, получение, хранение...». Справочник под ред. Д.Ю.Гамбурга. - М.: Химия, 1989 г.3. “Hydrogen. Properties, receipt, storage ... ". Handbook Ed. D.Yu. Hamburg. - M.: Chemistry, 1989.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005132010/11A RU2323858C2 (en) | 2005-10-18 | 2005-10-18 | Power plant for spacecraft with electrical generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005132010/11A RU2323858C2 (en) | 2005-10-18 | 2005-10-18 | Power plant for spacecraft with electrical generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005132010A RU2005132010A (en) | 2007-04-27 |
| RU2323858C2 true RU2323858C2 (en) | 2008-05-10 |
Family
ID=38106565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005132010/11A RU2323858C2 (en) | 2005-10-18 | 2005-10-18 | Power plant for spacecraft with electrical generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2323858C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3490235A (en) * | 1967-09-12 | 1970-01-20 | Nasa | Passively regulated water electrolysis rocket engine |
| US5279484A (en) * | 1992-03-11 | 1994-01-18 | Loral Aerospace Corporation | Manned space vehicle with low-level hydrogen-oxygen-carbon dioxide propulsion unit |
| RU2215891C2 (en) * | 2001-02-13 | 2003-11-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Impulse solar rocket engine installation |
-
2005
- 2005-10-18 RU RU2005132010/11A patent/RU2323858C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3490235A (en) * | 1967-09-12 | 1970-01-20 | Nasa | Passively regulated water electrolysis rocket engine |
| US5279484A (en) * | 1992-03-11 | 1994-01-18 | Loral Aerospace Corporation | Manned space vehicle with low-level hydrogen-oxygen-carbon dioxide propulsion unit |
| RU2215891C2 (en) * | 2001-02-13 | 2003-11-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Impulse solar rocket engine installation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛИДОРЕНКО Н.С., МУЧНИК Г.Ф. Электрохимические генераторы. - М.: Электроиздат, 1982, с.336. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005132010A (en) | 2007-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6502533B1 (en) | Internal combustion fuel reforming | |
| US6156084A (en) | System for desulfurizing a fuel for use in a fuel cell power plant | |
| Veziro et al. | Hydrogen: the wonder fuel | |
| US3655448A (en) | Hydrogen generator desulfurizer employing feedback ejector | |
| US8034499B2 (en) | Energy conversion device including a solid oxide fuel cell fueled by ammonia | |
| US10322933B2 (en) | Quick-start system for preparing hydrogen via aqueous methanol and hydrogen preparation method | |
| US7089888B2 (en) | Device for production of hydrogen from effluents of internal combustion engines | |
| CA3169329A1 (en) | Carbon-neutral process for generating electricity | |
| WO2000039873A1 (en) | System for operation and start-up of a vehicle powered by a fuel cell | |
| AU2009216073B2 (en) | Method of converting solar heat energy | |
| EP3741723A1 (en) | Sweep membrane separator and and fuel processing systems | |
| Prigent | On board hydrogen generation for fuel cell powered electric cars. A review of various available techniques | |
| US20010038934A1 (en) | Fuel cell system using emulsified fuel | |
| CN103058137B (en) | Movable type methanol water hydrogen manufacturing system and method | |
| Stoia et al. | A highly efficient solid oxide fuel cell power system for an all-electric commuter airplane flight demonstrator | |
| RU2323858C2 (en) | Power plant for spacecraft with electrical generator | |
| KR101254669B1 (en) | Fuel cell system for ship | |
| JP2003272691A (en) | Fuel cell generating device and operating method of fuel cell generating device | |
| US20090320356A1 (en) | Stockpiling methanol and/or dimethyl ether for fuel and energy reserves | |
| RU2526851C1 (en) | Power supply plant on fuel cells | |
| RU2328616C1 (en) | Combined electrochemical rocket engine | |
| Russo et al. | Oxidative Methanol Reforming for Hydrogen-fed HT-PEMFC: Applications in the Naval Sector | |
| CN215220773U (en) | Alcohol-hydrogen fuel power system and power generation device | |
| CN203006938U (en) | Movable type methanol-water hydrogen production system | |
| JP4598889B2 (en) | Fuel for fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091019 |