ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК H01M16/00 H01M8/06 

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

Аналогом является, например, ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными ТЭ, блок хранения криогенного кислорода и устройства хранения водорода в гидридах металлов или интерметаллических соединений (ИМС), способных обратимо сорбировать газообразный водород (Зинин В.И., Аваков В.Б. Российский опыт создания воздухонезависимых энергетических установок для подводных лодок. Военный парад, 1997, №3, стр.83). Процессы абсорбции и десорбции водорода идут с выделением или поглощением теплоты при определенных температуре и давлении. Недостатком аналога является большая масса и стоимость ИМС.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой ЭУ является ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными ТЭ, блок хранения кислорода и устройство для получения водорода, выполненное в виде водоактивируемого химического источника тока (ХИТ) с газовой подушкой, включающее в свой состав растворимый металлический анод (например, изготовленный из магния или сплава на его основе) и инертный каталитический катод, установленные в герметичную емкость, заполненную водным раствором электролита (или морской водой), газовая подушка которой соединена магистралью выхода водорода с магистралью питания водородом ЭХГ (Патент РФ №2284078, дата публикации 20.09.2006 Бюл. №26).

Недостатком известной энергетической установки подводного аппарата является повышенное давление среды внутри герметичной емкости водоактивируемого ХИТ (превышающее давление водорода в анодных камерах топливных элементов ЭХГ), вследствие чего емкость имеет большую массу, требует тщательной герметизации разъемных соединений при обслуживании (перезарядке водоактивируемого ХИТ новыми комплектами растворимых анодов) и является в связи с этим пожаровзрывоопасным объектом. Снижение давления среды до близкого атмосферному внутри герметичной емкости водоактивируемого ХИТ и, следовательно, водорода в анодных камерах водородно-кислородных топливных элементов ведет к снижению эффективности преобразования химической энергии в электрическую в ЭХГ с водородно-кислородными ТЭ. К снижению эффективности преобразования химической энергии в электрическую в ЭХГ с водородно-кислородными ТЭ также приводит присутствие примесей в составе водорода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность снижения давления до близкого атмосферному в газовой подушке ХИТ с одновременным повышением безопасности энергетической установки подводного аппарата, повышением эффективность функционирования ЭХГ и упрощением операции по обслуживанию энергоустановки.

Это достигается тем, что в энергетическую установку подводного аппарата, содержащую электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения и подготовки кислорода, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, с магистралью питания водородом, соединенной с магистралью выхода водорода водоактивируемого химического источника тока с газовой подушкой, включающего в свой состав растворимый металлический анод и инертный каталитический катод, установленные в герметичную емкость, заполненную водным раствором электролита (или морской водой), имеющую датчик уровня электролита и соединенную с магистралью подачи воды и с магистралью сбора твердофазных продуктов реакций, преобразователь напряжения, входы которого соединены с электрическими выводами ЭХГ и ХИТ, а выходы с потребителями, согласно изобретению введены: как минимум, две группы аккумуляторов водорода, содержащие вещества, способные обратимо поглощать и выделять водород (например, ИМС) при изменении температуры и давления, соединенные магистралями заполнения и опорожнения водородом с магистралью выхода водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ и с магистралью питания водородом ЭХГ через управляемые клапаны, обеспечивающие возможность попеременного подключения каждой из групп аккумуляторов водорода к одной из магистралей водорода; при этом аккумуляторы водорода оснащены теплопередающими поверхностями для подвода или отвода теплоты посредством теплоносителя (ТН), текущего по контурам циркуляции системы нагревания ТН (например, за счет теплоты, отводимой от ЭХГ или водоактивируемого ХИТ) и охлаждения ТН (например, за счет передачи теплоты забортной воде), с установленными в них управляемыми клапанами для переключений направлений движения потоков теплоносителя, обеспечивающими возможность попеременного подвода теплоты к одной из групп аккумуляторов водорода и отвода теплоты от другой группы в то же самое время.

Предлагаемая энергетическая установка подводного аппарата более безопасна, чем прототип, т.к. для подачи водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ в анодные камеры ТЭ ЭХГ в ней не требуется создания повышенного давления. Вырабатываемый водоактивируемым ХИТ водород первоначально направляется в охлаждаемый в это время аккумулятор (группу аккумуляторов) водорода, где переходит в состав гидрида при давлении, близком атмосферному. После заполнения аккумулятора водородом с помощью управляемого клапана он отключается от магистрали выхода водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ и подключается к магистрали питания водородом ЭХГ. При этом происходит переключение направлений потоков ТН в контурах его циркуляции с помощью установленных в них управляемых клапанов таким образом, что к этому аккумулятору водорода осуществляется подвод теплоты, обеспечивающий повышение температуры и давления среды в аккумуляторе и магистрали питания водородом ЭХГ. В то же самое время к магистрали выхода водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ подключается опорожненный аккумулятор водорода, телопередающие поверхности которого в это время омываются охлаждающим его теплоносителем. Далее при работе энергоустановки такты переключения групп аккумуляторов по магистралям водорода и контурам циркуляции теплоносителя повторяются по мере опорожнения одной и заполнения другой.

По сравнению с прототипом предлагаемая энергетическая установка подводного аппарата повышает эффективность функционирования ЭХГ, т.к. гидридные аккумуляторы, абсорбируя почти исключительно только водород, позволяют направлять на питание ЭХГ водород, содержащий меньше примесей, чем их содержится в магистрали выхода водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ. Благодаря этому повышается активность водорода в токообразующей реакции, замедляются процессы отравления катализатора, что благоприятно сказывается на ресурсе ЭХГ.

В предлагаемой энергетической установке нет необходимости поддерживать давление водорода в газовой подушке герметичной емкости водоактивируемого ХИТ выше атмосферного (выше давления окружающей ее среды). Это упрощает конструкцию разъемных соединений герметичной емкости, позволяет снизить ее массу, уменьшить трудоемкость и упростить операции по обслуживанию при перезарядке водоактивируемого источника тока новыми комплектами растворимых анодов.

Кроме того, водородоемкость каждой из групп обратимо действующих аккумуляторов водорода не превышает 20% необходимой для обеспечения заданной номинальной энергоемкости энергоустановки, что также существенно влияет на массогабаритные характеристики установки.

На фиг.1 и приведена схема предлагаемой энергетической установки подводного аппарата, где

1 - емкость водоактивируемого химического источника тока,

2 - растворимый металлический анод,

3 - инертный каталитический катод,

4 - водный раствор электролита (или морская вода),

5 - электрические выводы водоактивируемого химического источника тока,

6 - преобразователь напряжения,

7 - электрические выводы преобразователя напряжения,

8 - газовая подушка,

9 - магистраль выхода водорода,

10 - датчик давления водорода,

11 - регулируемый клапан выдачи водорода,

12 - влагоотделитель от водорода,

13 - магистраль питания водородом ЭХГ,

14 - редуктор давления водорода,

15 - электрохимический генератор (ЭХГ),

16 - магистраль питания кислородом ЭХГ,

17 - блок хранения и подготовки кислорода,

18 - электрические выводы ЭХГ,

19 - магистраль слива воды,

20 - емкость сбора воды,

21 - магистраль сбора воды,

22 - датчика уровня в емкости водоактивируемого химического источника тока,

23 - линия передачи сигнала от датчика уровня,

24 - управляемый клапан подачи воды,

25 - магистраль подачи воды,

26 - регулируемый насос,

27 - магистраль сбора твердофазных продуктов реакций,

28 - емкостью хранения твердофазных продуктов реакций,

29 - магистраль заполнения водородом аккумуляторов водорода,

30 и 31 - группы аккумуляторов водорода,

32 - магистраль опорожнения аккумуляторов водорода,

33, 34 - управляемые клапаны, соединяющие магистрали заполнения и опорожнения аккумуляторов водорода,

35, 36 - теплопередающие поверхности аккумуляторов водорода,

37, 38 - магистрали подвода теплоносителя к теплопередающим поверхностям аккумуляторов водорода,

39, 40 - магистрали отвода теплоносителя от теплопередающих поверхностей аккумуляторов водорода,

41-44 - управляемые клапаны, соединяющие магистрали контуров циркуляции теплоносителя,

45 - магистраль контура подвода теплоты к теплоносителю,

46 - магистраль контура отвода теплоты от теплоносителя,

47 - насос контура подвода теплоты к теплоносителю,

48 - теплообменный аппарат подвода теплоты к теплоносителю,

49 - теплообменный аппарат отвода теплоты от теплоносителя,

50 - насос контура отвода теплоты от теплоносителя,

51 - клапан системы сбора примесей водорода.

ЭХГ 15 сообщен магистралью 16 с блоком 17 хранения и подготовки кислорода. Газовая подушка 8 емкости 1 водоактивируемого ХИТ связана магистралью 9 выхода водорода с магистралью 29 заполнения водородом групп 30 и 31 аккумуляторов водорода. На магистрали 9 выхода водорода последовательно установлены датчик 10 давления водорода, регулируемый клапан 11 выдачи водорода, влагоотделитель 12 от водорода.

Группы 30 и 31 аккумуляторов водорода соединены с магистралью 29 заполнения их водородом и с магистралью 32 опорожнения аккумуляторов водорода через управляемые клапаны 33 и 34. Магистраль 32 опорожнения аккумуляторов водорода соединена с магистралью 13 питания водородом ЭХГ 15, в которой установлен редуктор 14 давления водорода.

Аккумуляторы (группы аккумуляторов) водорода 30 и 31 оснащены теплопередающими поверхностями 35 и 36 соответственно, к которым подводится теплоноситель по магистралям,37 и 38, а отводится от них - по магистралям 39 и 40 соответственно. Магистрали 37-40 через управляемые клапаны 41-44 соединены с магистралью 45 системы нагревания ТН и с магистралью 46 системы охлаждения ТН. В магистрали 45 последовательно установлены насос 47 и теплообменный аппарат (ТА) 48, в котором происходит нагрев теплоносителя за счет теплоты, подводимой к нему от ХИТ и/или от ЭХГ. В магистрали 46 последовательно установлены ТА 49, в котором происходит охлаждение ТН за счет отвода от него теплоты (например, к забортной воде), и насос 50.

ЭХГ 15 с помощью магистрали 19 слива воды сообщен с емкостью 20 сбора воды, второй вход емкости 20 сбора воды сообщен с влагоотделителем 12 от водорода магистралью 21.

Емкость 20 сбора воды сообщена магистралью 25 подачи воды с емкостью 1 водоактивируемого ХИТ. В магистрали 25 подачи воды последовательно установлены регулируемый насос 26 и управляемый клапан 24 подачи воды в емкость 1 водоактивируемого ХИТ, соединенный линией 23 передачи сигнала от датчика 22 уровня электролита в емкости 1 водоактивируемого ХИТ.

Нижняя часть емкости 1 водоактивируемого ХИТ связана магистралью 27 сбора твердофазных продуктов реакций с емкостью 28 хранения твердофазных продуктов реакций.

Электрические выводы 5 водоактивируемого химического источника тока и электрические выводы 18 ЭХГ 15 подключены к преобразователю 6 напряжения, и с электрических выводов 7 преобразователя 6 напряжения электрическая энергия подается потребителям.

Энергетическая установка работает следующим образом.

При заполнении емкости 1 водоактивируемого химического источника тока, в которой размещены растворимый металлический анод 2 и инертный каталитический катод 3, нейтральным водным раствором электролита (или морской водой) 4 начинают протекать электрохимические реакции. Суммарная реакция имеет вид:

Me+n·Н₂О=Me (ОН)_n↓+¹/₂·n·Н₂↑,

где Me - металл, из которого выполнен растворимый металлический анод 2.

В результате электрохимических реакций на электрических выводах 5 водоактивируемого ХИТ появляется электрическое напряжение. С выводов 5 электрическая энергия поступает на вход преобразователя 6 напряжения и с выводов 7 преобразователя 6 подается потребителям электроэнергии. Образовавшийся в ходе этих реакций водород заполняет верхнюю часть емкости 1 водоактивируемого химического источника тока, образуя газовую подушку 8, из которой поступает в магистраль 9 выхода водорода. Давление водорода контролируется датчиком 10 давления. Через регулируемый клапан 11 выдачи водорода водород поступает во влагоотделитель 12 от водорода и далее в магистраль 29 заполнения водородом аккумуляторов. При этом, например, управляемый клапан 34 установлен в положение, обеспечивающее подключение магистрали 29 к группе аккумуляторов водорода 31, а управляемый клапан 33 - в положение, обеспечивающее подключение группы аккумуляторов 30 к магистрали 32 опорожнения аккумуляторов водорода (см. фиг.1).

Управляемые клапаны 43 и 44 установлены в положения, обеспечивающие подключение магистрали 38 подвода теплоносителя к теплопередающей поверхности 36 аккумулятора водорода 31 и магистрали 40 отвода от нее теплоносителя к магистрали 46 системы охлаждения теплоносителя. В сформированном таким образом контуре теплоноситель, охлажденный в ТА 49, подается насосом 50 к теплопередающим поверхностям 36, обеспечивая отвод теплоты от группы аккумуляторов водорода 31, что создает условия для поглощения водорода с образованием гидрида ИМС.

Управляемые клапаны 41 и 42 установлены в положения, обеспечивающие подключение магистрали 37 подвода теплоносителя к теплопередающей поверхности 35 аккумулятора водорода 30 и магистрали 39 отвода от нее теплоносителя к магистрали 45 системы нагревания теплоносителя. В сформированном таким образом контуре теплоноситель, нагретый в ТА 48, подается насосом 47 к теплопередающим поверхностям 35, обеспечивая подвод теплоты к группе аккумуляторов водорода 30, что создает условия для выделения водорода из гидрида ИМС и повышения давления водорода в магистрали 32 опорожнения аккумуляторов водорода. Из магистрали 32 водород через редуктор 14 давления водорода поступает в магистраль 13 питания водородом ЭХГ 15.

После заполнения водородом группы аккумуляторов водорода 31 и опорожнения группы аккумуляторов водорода 30 производится перевод положений управляемых клапанов (см. фиг.2):

- клапан 33 обеспечивает отключение аккумуляторов водорода 30 от магистрали 32 опорожнения аккумуляторов водорода и их подключение к магистрали 29 заполнения водородом аккумуляторов;

- клапан 34 обеспечивает отключение аккумуляторов водорода 31 от магистрали 29 заполнения водородом аккумуляторов и их подключение к магистрали 32 опорожнения аккумуляторов водорода;

- клапаны 41-44 обеспечивают отключение магистрали 37 подвода теплоносителя к теплопередающей поверхности 35 группы аккумуляторов водорода 30 и магистрали 39 отвода от нее теплоносителя от магистрали 45 системы нагревания теплоносителя и их подключение к магистрали 46 системы охлаждения теплоносителя, а также отключение магистрали 38 подвода теплоносителя к теплопередающей поверхности 36 группы аккумуляторов водорода 31 и магистрали 40 отвода от нее теплоносителя от магистрали 46 системы охлаждения теплоносителя и их подключение к магистрали 45 системы нагревания теплоносителя.

При этом формируются новые контуры циркуляции теплоносителя, в которых теплоноситель, охлажденный в ТА 49, подается насосом 50 к теплопередающим поверхностям 35, обеспечивая отвод теплоты от группы аккумуляторов водорода 30, что создает условия для поглощения водорода с образованием гидрида ИМС, а теплоноситель, нагретый в ТА 48, подается насосом 47 к теплопередающим поверхностям 36, обеспечивая подвод теплоты к группе аккумуляторов водорода 31, что создает условия для выделения водорода из гидрида ИМС и повышения давления водорода в магистрали 32 опорожнения аккумуляторов водорода.

Далее при работе энергоустановки такты переключения групп аккумуляторов по магистралям водорода и контурам циркуляции теплоносителя повторяются по мере опорожнения одной группы и заполнения другой, что обеспечивает непрерывный прием водорода одной из групп аккумуляторов из газовой подушки 8 герметичной емкости 1 водоактивируемого ХИТ при давлении, близком атмосферному, и выдачу водорода в магистраль 13 питания водородом ЭХГ при повышенном давлении другой группой аккумуляторов водорода. При приеме водорода гидридным аккумулятором примеси, которые могут присутствовать в водороде, накапливаются в газовом объеме системы. Их удаление производится через периодически открываемый клапан 51 системы сбора примесей водорода (на схеме не показана).

В ЭХГ 15 по магистрали 16 поступает также кислород из блока 17 хранения и подготовки кислорода. В результате реакции между водородом и кислородом в ЭХГ 15 вырабатывается электроэнергия и на электрических выводах 18 ЭХГ 15 появляется напряжение. С выводов 18 электрическая энергия из ЭХГ 15 поступает на вход преобразователя 6 напряжения, в котором происходит суммирование электроэнергии, поступающей из ЭХГ 15 и с выводов 5 водоактивируемого ХИТ, с электрических выводов 7 преобразователя 6 напряжения электрическая энергия подается потребителям.

В ЭХГ 15 в результате реакции соединения водорода и кислорода образуется вода, которая по магистрали 19 стекает в емкость 20 сбора воды. Вода, накопившаяся во влагоотделителе 12 от водорода, также стекает в емкость 20 сбора воды по магистрали 21 сбора воды.

Для поддержания требуемого уровня электролита в емкости 1 путем восполнения затрат воды, связанных с протеканием электрохимических реакций и с удалением их продуктов, по сигналу датчика уровня 22, поступающему по линии 23 на управляемый клапан 24, вода из емкости 20 подается в магистраль 25 посредством регулируемого насоса 26.

Накапливающиеся в нижней части емкости 1 водоактивируемого химического источника тока твердофазные продукты реакций по магистрали 27 сбора твердофазных продуктов реакций поступают в емкость 28 хранения твердофазных продуктов реакций либо удаляются за борт.

Повышение безопасности предлагаемой ЭУ подводного аппарата достигается за счет уменьшения давления в емкости водоактивируемого ХИТ и части магистралей, содержащих водород, что снижает количество свободного водорода в элементах энергоустановки и делает менее напряженными условия эксплуатации конструкционных материалов.

Повышение эффективности функционирования ЭХГ в составе предлагаемой энергоустановки по сравнению с прототипом связано с тем, что в ЭХГ поступает водород, содержащий меньше примесей, благодаря чему повышается активность водорода в токообразующей реакции, замедляются процессы отравления катализатора, что благоприятно сказывается на ресурсе ЭХГ.

Упрощение конструкции разъемных соединений герметичной емкости, уменьшение ее массы, снижение трудоемкости и упрощение операции по обслуживанию при перезарядке водоактивируемого ХИТ новыми комплектами растворимых анодов в предлагаемой энергоустановке по сравнению с прототипом достигается благодаря открывающейся возможности выравнивания давления в емкости и окружающей среде при работе энергоустановки без ухудшения условий функционирования ЭХГ.

Учитывая вышеизложенное, предлагаемая энергетическая установка подводного аппарата является более безопасной, имеет более высокую эффективность функционирования ЭХГ, а также имеет меньшую трудоемкость при обслуживании во время эксплуатации.

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ). Техническим результатом изобретения является повышение безопасности и эффективности функционирования ЭХГ. Согласно изобретению ЭУ содержит ЭХГ с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения и подготовки кислорода, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, с магистралью питания водородом, соединенной с магистралью выхода водорода водоактивируемого химического источника тока (ХИТ) с газовой подушкой, включающего в свой состав растворимый металлический анод и инертный каталитический катод, установленные в герметичную емкость, заполненную водным раствором электролита, имеющую датчик уровня электролита и соединенную с магистралью подачи воды и с магистралью сбора твердофазных продуктов реакций, преобразователь напряжения, входы которого соединены с электрическими выводами ЭХГ и ХИТ, а выходы с потребителями. В ЭУ дополнительно введены, по меньшей мере, две группы обратимо действующих аккумуляторов водорода с магистралями заполнения водородом и опорожнения с возможностью попеременного соединения через управляемые клапаны с магистралью выхода водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ и с магистралью питания водородом ЭХГ. Аккумуляторы водорода оснащены теплопередающими поверхностями, соединенными магистралями с системами нагревания и охлаждения теплоносителя, с установленными в них клапанами для обеспечения возможности попеременного подвода теплоты к одной из групп аккумуляторов водорода и отвода теплоты от другой группы, при этом магистраль заполнения водородом аккумуляторов соединена с системой сбора примесей водорода через периодически открываемый клапан. Водородоемкость каждой из групп аккумуляторов водорода не превышает 20% необходимой для обеспечения заданной номинальной энергоемкости ЭУ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимический генератор (ЭХГ) с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения и подготовки кислорода, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, с магистралью питания водородом, соединенной с магистралью выхода водорода водоактивируемого химического источника тока (ХИТ) с газовой подушкой, включающего в свой состав растворимый металлический анод и инертный каталитический катод, установленные в герметичную емкость, заполненную водным раствором электролита (или морской водой), имеющую датчик уровня электролита и соединенную с магистралью подачи воды и с магистралью сбора твердофазных продуктов реакций, преобразователь напряжения, входы которого соединены с электрическими выводами ЭХГ и ХИТ, а выходы с потребителями, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введены, по меньшей мере, две группы обратимо действующих аккумуляторов водорода (например, на основе интерметаллических соединений) с магистралями заполнения водородом и опорожнения с возможностью попеременного соединения через управляемые клапаны с магистралью выхода водорода из газовой подушки герметичной емкости водоактивируемого ХИТ и с магистралью питания водородом ЭХГ, при этом аккумуляторы водорода оснащены теплопередающими поверхностями, соединенными магистралями с системами нагревания и охлаждения теплоносителя, с установленными в них клапанами для обеспечения возможности попеременного подвода теплоты к одной из групп аккумуляторов водорода и отвода теплоты от другой группы, при этом магистраль заполнения водородом аккумуляторов соединена с системой сбора примесей водорода через периодически открываемый клапан.2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что водородоемкость каждой из групп аккумуляторов водорода не превышает 20% необходимой для обеспечения заданной номинальной энергоемкости энергоустановки.