СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОМ АККУМУЛЯТОРЕ Российский патент 1997 года по МПК H01M8/18 H01M8/04 

Изобретение относится к области электроэнергетики, преимущественно там, где необходимо аккумулирование электрической энергии особенно где аккумулирование энергии осуществляется за счет использования избытка электрической энергии для электролиза воды на газообразные продукты в электрических ячейках (ЭЯ, накопления этих реагентов и последующего их соединения в периоды пика нагрузки для выработки электроэнергии в топливных элементах (ТЭ).

Так как аккумулирование энергии осуществляется за счет, с одной стороны разложения воды, а с другой стороны за счет образования воды, то процесс регулирования влагосодержания в этих системах имеет очень важное значение.

В настоящее время влагосодержание в такого типа энергетических системах регулируется одним из наиболее известных и простых способах, при котором влагосодержание поддерживается за счет поддержания постоянного уровня электролита, который находится в жидком состоянии [1]
Недостатком этого способа является то, что его нельзя использовать на летательных аппаратах, так как при невозможности и при переменных перегрузках положение уровня жидкости не имеет фиксированного значения. Особо важное значение жидкости не имеет фиксированного значения. Особо важное значение это имеет в устройствах, в которых процессы генерации тока (режим работы ТЭ) и разложения воды (режим работы ЭЯ) происходят в одном устройстве. Именно такие устройства могут быть применены на летательных аппаратах и по аналогии с общеизвестными аккумуляторами их можно назвать водородно-кислородными аккумуляторами.

В настоящее время известен и широко применяется способ регулирования влагосодержания в элементах системы, являющийся наиболее близким к изобретению и поэтому взятый за прототип [2]
Согласно известному способу топливные элементы (ТЭ) продувают одним из рабочих газов (водородом или кислородом), охлаждают эту парогазовую смесь, пропуская по контуру теплообменника до необходимой температуры, конденсируя при этом необходимое количество воды, избытки которой после этого удаляются из потока.

Недостатком технического решения прототипа является невозможность поддержания влагосодержания в рабочем диапазоне при резком изменении нагрузки в устройстве особенно в водородно-кислородном аккумуляторе, так как в нем необходимо то удалять воду, то добавлять. Например, при резком увеличении разряда происходит резкое увеличение влагосодержания, что может привести к затоплению ТЭ и выхода его из строя и, наоборот в режиме зарядки системы электропитания может произойти интенсивное разложение воды на кислород и водород и, как следствие, осушение ЭЯ, что может также привести к выходу из строя системы. Эти недостатки обусловлены инерционностью тепло-массовых процессов, происходящих в системе энергопитания постоянного тока.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание такого способа регулирования влагосодержания в элементах водородно-кислородного аккумулятора, при котором в рабочих процессах зарядки и разрядки содержание воды оставалось бы в безопасном диапазоне работы системы энергопитания постоянным током.

Задача решается совокупностью всех существенных признаков, а именно: продувают одним из рабочих газов, например, водородом топливные элементы и электролизные ячейки водородно-кислородного аккумулятора, и при этом в поток парогазовой смеси на выходе из элементов подают охлажденную воду, с расходом, определяемым выражением:

где: G секундный расход воды, кг/с;
n_тэ-число топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами системы и охлаждающей водой.

Это связано с тем, что парогазовая смесь, согласно изобретению, одновременно смывает как ЭЯ так и ТЭ, но при работе ТЭ необходимо не только охладить элементы, но и сконденсировать пар, на что необходимо определенное количество холодной воды. При работе ЭЯ их необходимо лишь охладить и добавить необходимое количество воды, так как в этот период происходит разложение воды на кислород и водород. Поэтому определяющим для количества охлажденной воды является количество топливных элементов.

Это позволяет значительно упростить регулирование влагосодержанием более точно поддерживать влагосодержание на элементах в рабочем, безопасном диапазоне нагрузок системы, что значительно улучшает надежность и срок службы ее, этим и достигается технический результат.

В предлагаемом способе положительный эффект, заключающийся в поддержании постоянного влагосодержания, обусловлен прямой зависимостью между количеством воды, подаваемой в элементы системы от нагрузки.

Изложенная сущность способа поясняется следующим примером. Как известно, ЭЭ и ТЭ наиболее эффективно работают при температуре (90-98)^oC. Продуваемый рабочий газ, например водород, омывает ЭЭ и ТЭ, на которых либо образуется вода в виде пара при соединении кислорода с водородом (при разряде), т.е. происходит затопление элементов (увеличение влагосодержание), либо происходит осушка элементов (уменьшение влагосодержания при заряде т.е. разложении воды).

Излишки влаги выводятся следующим образом:
Пары воды, образовавшейся в результате соединения кислорода с водородом, смешиваясь с водой, температура которой, например, 60^oC то-есть температуры ЭЭ и ТЭ конденсируются и уже в конденсированном виде (т.е. в виде воды) удаляются во влагоотделителе.

Недостаток влаги компенсируется простым впрыском недостающего количества жидкости.

Как известно, из закона Фарадея, массовая скорость выделения или поглощения воды в батарее, состоящей из n элементов (ЭЭ или ТЭ) равна:
W 9,34•10^-8•I•n,
где: n число элементов (ЭЭ или ТЭ);
I ток заряда или разряда А.

Количество тепла, необходимое для конденсации пара равно
Q 9,34•10^-8•r•I•n,
где: r теплота конденсации пара.

Конденсация пара происходит за счет смешения с холодной водой, расход которой при этом равен:

где: C_p теплоемкость воды;
Δt градиент температуры между ячейкой и охлажденной водой;
Подставляя значение Q получаем:

где: r 2,3•10⁶ Дж/кг;
C_p 4,19•10³.

Чисто экспериментальным путем подтверждено, что постоянное влагосодержание при длительной работе в период резкой смены нагрузки находится при расходе воды, подаваемой для смешивания определяемой по формуле:

где: G секундный расход воды, кг/с;
n_тэ число топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами и охлаждающей водой.

Теоретическое значение равно:

Предлагаемый способ регулирования влагосодержанием при работе системы реализуется следующей последовательностью действий:
продувают одним из рабочих газов, например, водородом элементы системы, которые термостатируются в пределах от 90^o до 96^o. Газ, омывая элементы, выносит пары воды из них, (при разряде) при этом количестве паров воды образовавшейся в элементах пропорционально токовой нагрузке в данный момент времени: например I 100A, n 33 расход воды равен 1,11 кг/ч (3,1 г/сек) смешивают на выходе из элементов продуваемый газ с парами воды, с водой, подаваемой из отдельного бака и охлажденной до температуры окружающей среды, например, 20^oC, подаваемый расход воды связан соотношением с перепадом температуры между термостатируемыми элементами, температурой охлаждающей воды и токовой нагрузкой.

.

В дальнейшем капли жидкости собираются и удаляются в виде жидкости.

При заряде (при работе ЭЭ) газ, смешиваясь с водой увлажняется и, в отличие от вышеизложенного, вносит пары в элементы. Это связано с тем, что элементы пропитаны щелочью, а щелочь является хорошим поглотителем влаги. Поэтому и осуществляется постоянство влагосодержания, которое в основном зависит от температуры, так как щелочь насыщается до определенной концентрации и при большей концентрации влага будет удаляться, а при малой концентрации вода будет поглощаться при этом расход-приход воды будет связан с вышеприведенной формулой, только в том случае вода будет удаляться захватывая с собой излишки влаги, в другом- поглощаться элементами.

Таким образом задача регулирования влагосодержания в системе энергопитания решается надежно в безопасном диапазоне работы.

Список используемых источников.

1. Л. М. Якименко и др. "Электролиз воды" Москва. Из-во "Химия" 1970 г. стр. 106-107.

2. "Энергетические установки космических аппаратов" Москва Энергоиздат. 1981 г. стр 41. рис.3.6. (прототип).

Использование: система аккумулирования энергии на основе топливных и электролизных элементов. Сущность изобретения: способ регулирования влагосодержания в водородно-кислородном аккумуляторе путем одновременной продувки рабочим газом топливных и электролизных элементов и подачи в поток газа охлажденной воды с расходом, определяемым выражением: , где G - секундный расход воды, кг/с, n_тэ - число ячеек топливных элементов, I - ток заряда и разряда, А., Δt - градиент температуры между элементами и охлаждающей водой. Предлагаемый способ регулирования обладает повышенной надежностью.

Способ регулирования влагосодержания в водородно-кислородном аккумуляторе, включающий продувку топливных элементов одним из рабочих газов, отличающийся тем, что рабочим газом продувают одновременно как топливные элементы, так и электролизные ячейки, а в поток газа подают охлажденную воду с расходом, определяемым выражением

где G расход воды, кг/с;
n_т э число ячеек топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами и охлаждающей водой.