ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК H01M8/06 

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) подводного аппарата (ПА).

Известна ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, блок хранения криогенного кислорода, устройства хранения водорода в интерметаллидных соединениях (ИМС), способные поглощать или выделять газообразный водород (А.Н. Батырев, В.Д. Кошеверов, О.Ю. Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб.: Судостроение, 1994, с.236).

Недостатками аналога являются большая масса и стоимость ИМС. Процессы поглощения и выделения водорода идут соответственно с выделением или поглощением тепла при определенных температуре и давлении. В случае размещения устройств с ИМС вне прочного корпуса ПА, как это сделано в аналоге, задача обеспечения необходимого теплового режима с помощью теплоносителя существенно осложняется зависимостью температуры ИМС от температуры забортной воды.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой ЭУ является ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами и блоки хранения криогенных водорода и кислорода, размещенные вне прочного корпуса ПА (А.А. Постнов. Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами. Судостроение, 1998, 2, с.28).

Недостатками известной установки являются: потери при перевозке криогенного водорода на большие расстояния, перерасход водорода при заправке криогенного блока хранения. В процессе длительного хранения имеют место потери криогенного водорода и возникает необходимость непроизводительного удаления газообразного водорода.

Ограниченное время хранения водорода снижает готовность ПА к работе. Кроме того, блоки хранения криогенного водорода и кислорода, размещенные вне простого корпуса ПА, являются пожаровзрывоопасными объектами и увеличивают сопротивление движению ПА.

Задачами предлагаемого изобретения являются: снижение стоимости установки, увеличение пожаровзрывобезопасности, уменьшение времени готовности к работе энергоустановки.

Техническим результатом использования изобретения является исключение необходимости создавать сложные дорогостоящие системы термостатирования жидкого криогенного водорода, необходимости длительного хранения и исключение несанкционированных утечек газообразного водорода с целью обеспечения пожаровзрывобезопасности, уменьшение времени подготовки к работе энергоустановки за счет уменьшения цикла выработки водорода в виде потребляемого компонента для ЭХГ.

Эти задачи решаются за счет того, что в известную энергетическую установку, содержащую электрохимический генератор, вход которого сообщен через блок подачи кислорода с блоком хранения кислорода, введены емкость хранения Al, емкость хранения водного раствора NaОH, дозатор, реактор, фильтр, компрессор, ресивер водорода с регулятором давления водорода на входе в ЭХГ, подключенным к выходу компрессора, на входе ресивера водорода и обратным клапаном на его выходе, емкость приема реагентов, первый и второй клапаны, формирователи команд на закрытие и открытие клапанов, сигнализаторы минимально и максимально допустимого уровней реагентов, сигнализатор отсутствия реагентов, датчик давления водорода, задатчик минимально допустимого давления водорода, схема сравнения, схема совпадения "И", причем вход реактора сообщен через дозатор и первый клапан с емкостями хранения Al и NaOH, а выход реактора по водороду через последовательно соединенные фильтр и компрессор соединен со входом электрохимического генератора; сигнализатор максимально допустимого уровня реагентов в реакторе через формирователь команды на закрытие первого клапана подключен к первому входу первого клапана; выход датчика давления водорода, установленного на магистрали фильтр - компрессор, подключен к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой связан с выходом задатчика минимально допустимого давления водорода, а выход схемы сравнения подключен ко входу схемы совпадения "И", второй вход которой соединен с сигнализатором минимально допустимого уровня реагентов, установленного на выходе реактора, при этом выход схемы совпадения "И" подключен через формирователь команды на открытие второго клапана ко входу второго клапана, установленного между реактором и емкостью приема реагентов из реактора; второй вход второго клапана подключен через формирователь команды на его закрытие к сигнализатору отсутствия реагентов реактора, выход которого подключен к формирователю команды на открытие первого клапана, выход этого формирователя соединен со вторым входом первого клапана.

Сущность изобретения представлена на чертеже, отображающем схему энергетической установки подводного аппарата, где:
1 - емкость хранения Al;
2 - емкость хранения водного раствора NaOH;
3 - дозатор;
4 - первый клапан;
5 - реактор;
6 - фильтр;
7 - компрессор;
8 - электрохимический генератор;
9 - блок подачи кислорода;
10 - блок хранения кислорода;
11 - сигнализатор максимально допустимого уровня реагентов;
12 - формирователь команды на закрытие первого клапана;
13 - датчик давления водорода;
14 - схема сравнения;
15 - задатчик минимально допустимого давления водорода;
16 - схема совпадения "И";
17 - сигнализатор минимально допустимого уровня реагентов;
18 - второй клапан;
19 - емкость приема реагентов;
20 - формирователь команды на открытие второго клапана;
21 - сигнализатор отсутствия реагентов;
22 - формирователь команды на закрытие второго клапана;
23 - формирователь команды на открытие первого клапана;
24 - регулятор давления водорода на входе в ЭХГ;
25 - ресивер;
26 - обратный клапан.

Энергетическая установка содержит емкость хранения Al 1 и емкость хранения водного раствора NaOH 2, сообщенные с дозатором 3, выход которого, в свою очередь, соединен с первым из трех входов первого клапана 4, выход которого соединен со входом реактора 5.

Первый выход реактора 5 соединен с сигнализатором максимально допустимого уровня реагентов 11 в реакторе 5, который через формирователь команды на закрытие первого клапана 12 подключен ко второму входу первого клапана 4.

Второй из выходов реактора 5 (по водороду) через последовательно соединенные фильтр 6 и компрессор 7 соединен с одним из входов электрохимического генератора 8, другой вход которого сообщен через блок подачи кислорода 9 с блоком хранения кислорода 10. Выход датчика давления водорода 13, установленного на магистрали "фильтр 6 - компрессор 7", подключен к первому из двух входов схемы сравнения 14, второй вход которой связан с выходом задатчика минимально допустимого давления водорода 15, а выход схемы сравнения 14 подключен к первому входу схемы совпадения "И" 16, второй вход которой соединен с сигнализатором минимально допустимого уровня реагентов 17, установленного на третьем из пяти выходов реактора 5.

Выход схемы совпадения "И" 16 подключен через формирователь команды на открытие второго клапана 20 к первому входу второго клапана 18, установленного между четвертым выходом реактора 5 и емкостью приема реагентов 19 из реактора 5.

Четвертый из пяти выходов реактора 5 соединен со вторым из трех входов второго клапана 18, выход которого соединен с емкостью приема реагентов 19 из реактора 5.

Пятый выход реактора соединен с сигнализатором отсутствия реагентов 21 реактора 5, который, в свою очередь, подключен к третьему входу второго клапана 18 через формирователь команды на его закрытие 22, а также к третьему входу первого клапана 4 через формирователь команды на его открытие 23.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Для обеспечения работы ЭХГ требуется подвести водород, кислород и отвести образующиеся тепло и воду. Кислород хранится в блоке хранения кислорода 10 и с помощью блока подачи кислорода 9 подается в ЭХГ 8. Водород вырабатывается в результате реакции Al с водным раствором щелочи NaOH. Для этого Al и водный раствор NaOH из емкостей хранения 1, 2 поступают в дозатор 3, где компоненты смешиваются в нужных пропорциях, и смесь через первый клапан 4 поступает в реактор 5, где в результате химической реакции Al с водным раствором щелочи NaOH образуется газообразный водород, поступающий по магистрали через фильтр 6 в компрессор 7, с помощью которого он подается в ЭХГ 8.

С сигнализатора максимально допустимого уровня реагентов 11, при достижении максимального уровня реагентов, поступает сигнал на вход формирователя команды на закрытие первого клапана 12, после чего первый клапан 4 прекращает поступление реагентов в реактор 5.

Водород, полученный в реакторе 5, потребляется ЭХГ 8. Избыточный, непотребляемый ЭХГ 8 водород накапливается в ресивере 25, выполненном, например, на интерметаллидах, при этом ресивер 25 снабжен регулятором давления водорода на входе ЭХГ 24 и обратным клапаном 26, которые обеспечивают управление накоплением и выдачей при необходимости водорода из ресивера 25 в ЭХГ 8.

По мере потребления водорода ЭХГ 8 и расходования компонентов давление водорода на входе компрессора 7 падает. Значение давления с датчика давления водорода 13, установленного на магистрали "фильтр 6 - компрессор 7", сравнивается на схеме сравнения 14 с минимально допустимым значением давления, заданного задатчиком 15, и при разнице <0 сигнал со схемы сравнения 14 поступает на вход схемы совпадения "И" 16. Это означает, что реагенты в реакторе 5 не обеспечивают заданную производительность по выработке водорода. При поступлении на другой вход схемы совпадения "И" 16 сигнала от сигнализатора минимально допустимого уровня реагентов 17, что указывает на их недостаточность для выработки водорода, на выходе схемы совпадения "И" 16 формируется сигнал на открытие второго клапана 18 через формирователь команды на открытие второго клапана 20. В результате этого через второй клапан 18 осуществляется слив отработавших реагентов из реактора 5 в емкость приема реагентов 19. По окончании слива при срабатывании сигнализатора отсутствия реагентов 21 реактора 5 формируется сигнал на закрытие второго клапана 18 через формирователь команды на закрытие 22, и, одновременно, через формирователь команды на открытие 23 формируется сигнал на открытие первого клапана 4 для очередной заправки реактора 5 из дозатора 3.

Образующаяся в ЭХГ 8 реакционная вода, равно как и тепло, отводятся и утилизируются (не показано).

С целью более полного использования производительности реагентов газовая полость емкости приема реагентов 19 может быть соединена со входом фильтра 6, т.к. в емкости приема реагентов 19 может происходить химическая реакция с выделением водорода, но с малой производительностью.

Учитывая вышеизложенное, изобретение позволяет получить водород для работы энергоустановки, при этом компоненты Al и водный раствор NaOH являются промышленно распространенными.

Исходные компоненты для получения водорода не являются пожаровзрывоопасными и подлежат безопасному длительному хранению.

Изобретение относится к энергетическим установкам, содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы подводного аппарата. Согласно изобретению энергетическая установка подводного аппарата содержит электрохимический генератор, блок подачи кислорода, блок хранения кислорода, емкость хранения Al, емкость хранения водного раствора NaOH, дозатор, реактор, фильтр, компрессор, ресивер водорода с регулятором давления водорода на входе в ЭХГ, емкость приема реагентов, сигнализаторы минимально и максимально допустимого уровней реагентов, сигнализатор отсутствия реагентов, датчик давления водорода, задатчик минимально допустимого давления водорода, клапаны, формирователи команд на открытие и закрытие клапанов, а также логические схемы (сравнения и совпадения). Техническим результатом изобретения является снижение стоимости установки, увеличение пожаровзрывобезопасности за счет исключения необходимости длительного хранения, а также исключения несанкционированных утечек газообразного водорода, уменьшить время готовности к работе энергоустановки за счет уменьшения цикла выработки водорода в виде потребляемого компонента для ЭХГ. 1 ил.

Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимический генератор (ЭХГ), вход которого сообщен через блок подачи кислорода с блоком хранения кислорода, отличающаяся тем, что в нее введены емкость хранения Аl, емкость хранения водного раствора NaOH, дозатор, реактор, фильтр, компрессор, с помощью которого водород подается в ЭХГ, ресивер водорода с регулятором давления водорода на входе в ЭХГ, подключенным к выходу компрессора, на входе ресивера водорода и обратным клапаном на его выходе, емкость приема реагентов, первый и второй клапаны, формирователи команд на закрытие и открытие клапанов, сигнализаторы минимально и максимально допустимого уровней реагентов, сигнализатор отсутствия реагентов, датчик давления водорода, задатчик минимально допустимого давления водорода, схема сравнения, схема совпадения И, причем вход реактора сообщен через дозатор и первый клапан с емкостями хранения Аl и водного раствора NaOH, а выход реактора по водороду через последовательно соединенные фильтр и компрессор соединен со входом электрохимического генератора, сигнализатор максимально допустимого уровня реагентов в реакторе через формирователь команды на закрытие первого клапана подключен к первому входу первого клапана, выход датчика давления водорода, установленного на магистрали фильтр-компрессор, подключен к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой связан с выходом задатчика минимально допустимого давления водорода, а выход схемы сравнения подключен ко входу схемы совпадения И, второй вход которой соединен с сигнализатором минимально допустимого уровня реагентов, установленным на выходе реактора, при этом выход схемы совпадения И подключен через формирователь команды на открытие второго клапана ко входу второго клапана, установленного между реактором и емкостью приема реагентов из реактора, второй вход второго клапана подключен через формирователь команды на его закрытие к сигнализатору отсутствия реагентов реактора, выход которого подключен к формирователю команды на открытие первого клапана, выход этого формирователя соединен со вторым входом первого клапана.