ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2004 года по МПК H01M8/06 H01M14/00 

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, С.-Петербург: Судостроение, стр. 236, 1994).

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 613 Э с электрохимическими генераторами, Судостроение, 1998, №2, стр. 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 прочного 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, уменьшения 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 энергетическую установку подводного аппарата, содержащую электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения кислорода, с магистралью питания водородом, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, введены: емкость хранения алюминия с газовой подушкой и реактор, установленный в нижней части емкости, блок смешивания и подачи щелочного раствора, емкость хранения концентрированной щелочи со штуцерами входа и выхода, магистраль выхода водорода, связанная с газовой подушкой емкости хранения алюминия и магистралью питания водорода, магистраль подачи щелочного раствора, связанная с входом в реактор и выходом из блока смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль выхода продуктов реакции, связанная с выходом из реактора и штуцером входа в емкость хранения концентрированной щелочи, магистраль подачи концентрированной щелочи, связанная со штуцером выхода из емкости хранения концентрированной щелочи и входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль подачи воды, связанная с выходом из емкости сбора воды и вторым входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, при этом в магистрали выхода водорода последовательно установлены: датчик давления водорода, регулируемый клапан выдачи водорода, влагоотделитель от водорода и редуктор давления водорода; в магистрали подачи щелочного раствора последовательно установлены: датчик концентрации щелочного раствора и управляемый клапан подачи щелочного раствора; в магистрали выхода продуктов реакции последовательно установлены: управляемый клапан выхода продуктов реакции, теплообменник охлаждения продуктов реакции, управляемый клапан входа продуктов реакции; в магистрали подачи воды последовательно установлены: регулируемый насос и управляемый клапан подачи воды; в магистрали подачи концентрированной щелочи последовательно установлены: управляемый клапан подачи концентрированной щелочи и датчик концентрации концентрированной щелочи; а влагоотделитель от водорода соединен магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды.

Сущность изобретения представлена на чертеже, отображающем схему энергетической установки подводного аппарата, где

1 - электрохимический генератор (ЭХГ),

2 - магистраль питания кислородом ЭХГ,

3 - блок хранения кислорода,

4 - магистраль слива воды,

5 - емкость сбора воды,

6 - регулируемый насос,

7 - управляемый клапан подачи воды,

8 - магистраль подачи воды,

9 - блок смешивания и подачи щелочного раствора,

10 - магистраль подачи концентрированной щелочи,

11 - емкость хранения концентрированной щелочи,

12 - штуцер выхода из емкости хранения концентрированной щелочи,

13 - управляемый клапан подачи концентрированной щелочи,

14 - датчик концентрации концентрированной щелочи,

15 - датчик концентрации щелочного раствора,

16 - управляемый клапан щелочного раствора,

17 - магистраль подачи щелочного раствора,

18 - реактор,

19 - емкость хранения алюминия,

20 - газовая подушка,

21 - датчик давления водорода,

22 - магистраль выхода водорода,

23 - регулируемый клапан выдачи водорода,

24 - влагоотделитель от водорода,

25 - редуктор давления водорода,

26 - магистраль питания водородом ЭХГ,

27 - магистраль сбора воды,

28 - магистраль выхода продуктов реакции,

29 - управляемый клапан выхода продуктов реакции,

30 - теплообменник охлаждения продуктов реакции,

31 - управляемый клапан входа продуктов реакции,

32 - штуцер входа в емкость хранения концентрированной щелочи.

ЭХГ 1 магистралью питания кислородом ЭХГ 2 сообщен с блоком хранения кислорода 3. Газовая подушка 20 емкости хранения алюминия 19 связана магистралью выхода водорода 22 с магистралью питания водородом ЭХГ 26. На магистрали выхода водорода последовательно установлены датчик давления водорода 21, регулируемый клапан выдачи водорода 23, влагоотделитель от водорода 24, редуктор давления водорода 25.

Выход ЭХГ 1 с помощью магистрали слива воды 4 сообщен с первым входом емкости сбора воды 5, второй вход которой сообщен с влагоотделителем от водорода 24 магистралью 27.

Выход из емкости сбора воды 5 сообщен магистралью подачи воды 8 с первым входом блока смешивания и подачи щелочного раствора 9. В магистрали подачи воды 8 последовательно установлены регулируемый насос 6 и управляемый клапан подачи воды 7.

Второй вход в блок смешивания и подачи щелочного раствора 9 через штуцер выхода из емкости хранения концентрированной щелочи 12 сообщен магистралью подачи концентрированной щелочи 10 с выходом из емкости хранения концентрированной щелочи 11. На магистрали подачи концентрированной щелочи 10 последовательно установлены управляемый клапан подачи концентрированной щелочи 13 и датчик концентрации концентрированной щелочи 14.

Выход из блока смешивания и подачи щелочного раствора 9 связан магистралью подачи щелочного раствора 17 со входом в реактор 18, который установлен в нижней части емкости хранения алюминия 19. На магистрали подачи щелочного раствора 17 последовательно установлены управляемый клапан подачи щелочного раствора 16 и датчик концентрации щелочного раствора 15.

Выход из реактора 18 связан с емкостью хранения концентрированной щелочи 11 через штуцер входа в емкость хранения концентрированной щелочи 32. На магистрали выхода продукта реакции 28 последовательно установлены управляемый клапан выхода продуктов реакции 29, теплообменник охлаждения продуктов реакции 30 и управляемый клапан входа продуктов реакции 31.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Для обеспечения работы ЭХГ требуется подвести водород, кислород и отвести образующиеся тепло и воду. Кислород поступает в ЭХГ 1 по магистрали питания кислородом 2 из блока хранения кислорода 3. Вода по магистрали слива воды 4 поступает в емкость сбора воды 5.

Для получения раствора щелочи, необходимого для проведения реакции, вода через регулируемый насос 6 и открытый управляемый клапан подачи воды 7 поступает под большим давлением в магистраль подачи воды 8. По магистрали подачи концентрированной щелочи 10 она поступает в блок смешивания и подачи щелочного раствора 9, где происходит смешивание щелочи высокой концентрации с водой с образованием раствора щелочи, необходимого для реакции, например, 20% концентрации. Через датчик концентрации щелочного раствора 15, открытый управляемый клапан щелочного раствора 16, по магистрали подачи щелочного раствора 17 щелочной раствор поступает в реактор 18. Необходимое количество алюминия поступает в реактор 18 из емкости хранения алюминия 19 по мере его выработки. Образование раствора щелочи, необходимого для проведения реакции, достигается в блоке смешивания и подачи щелочного раствора 9 за счет подачи необходимого количества воды, которое определяется по датчику концентрации концентрированной щелочи 14 и контролируется датчиком концентрации щелочного раствора 15. Водород, образовавшийся в реакторе 18 в результате реакции, подробно описанной в патенте США №4218520, поступает в магистраль питания водородом ЭХГ 26. Давление водорода контролируется датчиком давления 21. Через открытый регулируемый клапан выдачи водорода 23 водород поступает во влагоотделитель от водорода 24 и редуктор давления водорода 25, и далее в ЭХГ 1 по магистрали питания водородом ЭХГ 26.

В ЭХГ 1 в результате реакции соединения водорода, поступающего по магистрали 26, и кислорода, поступающего по магистрали 2, образуется вода, которая по магистрали 4 стекает в емкость сбора воды 5. Вода, накопившаяся во влагоотделителе от водорода 24, также стекает в емкость сбора воды 5 по магистрали сбора воды 27.

Продукты реакции, образовавшиеся в реакторе 18, по магистрали выхода продуктов реакции 28, через открытый управляемый клапан выхода продуктов реакции 29, теплообменник охлаждения продуктов реакции 30, открытый управляемый клапан входа продуктов реакции 31 и штуцер входа 32 поступают в емкость хранения концентрированной щелочи 11, вытесняя концентрированную щелочь через штуцер выхода из емкости хранения концентрированной щелочи 12 в магистраль подачи концентрированной щелочи 10.

Образующееся в ЭХГ 1 тепло отводится и утилизируется (на чертеже не показано).

Снижение времени готовности к работе заявляемой энергоустановки по сравнению с прототипом связано с тем, что заправка необходимыми продуктами реакции для получения водорода (гранулированным алюминием и концентрированной щелочью), а также слив продуктов реакции требуют значительно меньше времени по сравнению с заправкой жидким водородом. Это связано с тем, что при заправке жидким водородом необходимо длительное полоскание емкостей сначала азотом для удаления воздуха, затем водородом. После этого требуется длительное захолаживание. Все это связано с дополнительными расходами компонентов и времени готовности к работе. Работы с жидким водородом связаны с повышенными требованиями пожаровзрывобезопасности.

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

Снижение стоимости установки связано с тем, что продукт реакции 2AlNaO₂ является ценным промышленным сырьем. Гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Очень многие искусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты выращиваются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или берилия соответственно. Это значительно снижает стоимость эксплуатации энергоустановки.

Учитывая вышеизложенное, изобретение позволяет получить водород для работы энергоустановки более надежным, дешевым и пожаровзрывобезопасным способом, что значительно снизит стоимость эксплуатации энергоустановки, увеличит пожаровзрывобезопасность и уменьшит время готовности к работе энергоустановки.

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). Согласно изобретению в энергетическую установку ПА, содержащую электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения кислорода, с магистралью питания водородом, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, введены: емкость хранения алюминия с газовой подушкой и реактор, установленный в нижней части емкости, блок смешивания и подачи щелочного раствора, емкость хранения концентрированной щелочи со штуцерами входа и выхода, магистраль выхода водорода, связанная с газовой подушкой емкости хранения алюминия и магистралью питания водорода, магистраль подачи щелочного раствора, связанная с входом в реактор и выходом из блока смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль выхода продуктов реакции, связанная с выходом из реактора и штуцером входа в емкость хранения концентрированной щелочи, магистраль подачи концентрированной щелочи, связанная со штуцером выхода из емкости хранения концентрированной щелочи и входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль подачи воды, связанная с выходом из емкости сбора воды и вторым входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, при этом в магистрали выхода водорода последовательно установлены: датчик давления водорода, регулируемый клапан выдачи водорода, влагоотделитель от водорода и редуктор давления водорода; в магистрали подачи щелочного раствора последовательно установлены: датчик концентрации щелочного раствора и управляемый клапан подачи щелочного раствора; в магистрали выхода продуктов реакции последовательно установлены: управляемый клапан выхода продуктов реакции, теплообменник охлаждения продуктов реакции, управляемый клапан входа продуктов реакции; в магистрали подачи воды последовательно установлены: регулируемый насос и управляемый клапан подачи воды; в магистрали подачи концентрированной щелочи последовательно установлены: управляемый клапан подачи концентрированной щелочи и датчик концентрации концентрированной щелочи; а влагоотделитель от водорода соединен магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды. Техническим результатом изобретения является получение водорода для работы энергоустановки более надежным, дешевым и пожаровзрывобезопасным способом, что значительно снизит стоимость эксплуатации энергоустановки, увеличит пожаровзрывобезопасность и уменьшит время готовности к работе энергоустановки. 1 ил.

Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения кислорода, с магистралью питания водородом, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, отличающаяся тем, что в нее введены емкость хранения алюминия с газовой подушкой и реактор, установленный в нижней части емкости, блок смешивания и подачи щелочного раствора, емкость хранения концентрированной щелочи со штуцерами входа и выхода, магистраль выхода водорода, связанная с газовой подушкой емкости хранения алюминия и магистралью питания водорода, магистраль подачи щелочного раствора, связанная с входом в реактор и выходом из блока смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль выхода продуктов реакции, связанная с выходом из реактора и штуцером входа в емкость хранения концентрированной щелочи, магистраль подачи концентрированной щелочи, связанная со штуцером выхода из емкости хранения концентрированной щелочи и входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора; магистраль подачи воды, связанная с выходом из емкости сбора воды и вторым входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, при этом в магистрали выхода водорода последовательно установлены датчик давления водорода, регулируемый клапан выдачи водорода, влагоотделитель от водорода и редуктор давления водорода, в магистрали подачи щелочного раствора последовательно установлены датчик концентрации щелочного раствора и управляемый клапан подачи щелочного раствора, в магистрали выхода продуктов реакции последовательно установлены управляемый клапан выхода продуктов реакции, теплообменник охлаждения продуктов реакции, управляемый клапан входа продуктов реакции, в магистрали подачи воды последовательно установлены регулируемый насос и управляемый клапан подачи воды, в магистрали подачи концентрированной щелочи последовательно установлены управляемый клапан подачи концентрированной щелочи и датчик концентрации концентрированной щелочи, а влагоотделитель от водорода соединен магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды.