СИСТЕМА И СПОСОБ ПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 2011 года по МПК A62C35/00 A62C2/00 A62C31/00 A62C3/00 A62C3/08 

Область техники

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к защите от пожара. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к системе пожарной защиты, предназначенной для снижения опасности пожара в помещении, к использованию такой системы пожарной защиты на летательном аппарате, к использованию такой системы пожарной защиты в здании, к использованию такой системы пожарной защиты на судне, к летательному аппарату, имеющему такую систему пожарной защиты, и к способу защиты от пожара в подвижном или стационарном помещении.

Предпосылки к созданию изобретения

Ориентировочно, вот уже более 40 лет, используют галогенированные углеводороды (Halon) для тушения пожара на борту летательного аппарата. Halon представляет собой частично или полностью галогенированные углеводороды, которые химически вступают в цепную реакцию с огнем и, следовательно, ведут к прерыванию реакции.

Общеизвестно, что Halon 1211 (хлор-бром-дифторо-метан для ручных огнетушителей) и Halon 1301 (бром-трифторо-метан для стационарных огнетушителей) способствуют образованию стратосферного озона и поэтому включены в материалы, которые запрещены Монреальским протоколом ООН.

Сущность изобретения

Желательно создать средство, обеспечивающее улучшенную противопожарную защиту в помещении.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система пожарной защиты, предназначенная для снижения опасности пожара (риска возгорания) в помещении, причем указанная система пожарной защиты содержит топливный элемент для выработки обогащенного азотом отработанного воздуха катода и систему труб для подачи обогащенного азотом отработанного воздуха катода в помещение, так что содержание кислорода в помещении может быть снижено таким образом, что опасность пожара в помещении может быть снижена.

Таким образом, может быть создана эффективная система для снижения опасности пожара в помещениях или на объектах, в которой используют обедненный кислородом и обогащенный азотом отработанный воздух системы топливных элементов. Указанным образом отработанный воздух бортовой внутренней системы топливных элементов может быть использован для пожаротушения или для снижения опасности пожара. Кроме того, за счет этого размеры огнетушителей могут быть уменьшены или даже огнетушители могут быть полностью исключены. Для этого могут быть использованы любые типы топливных элементов, такие как, например, щелочной топливный элемент (AFC), протонообменный топливный элемент (PEMFC), топливный элемент с использованием фосфорной кислоты (PAFC), топливный элемент с использованием расплавленного карбоната (MCFC), топливный элемент с использованием твердого оксида (SOFC), или прямой топливный элемент с использованием этилового/ метилового спирта (DAFC/DMFC).

При этом рабочая температура электролита не является важной, важен только состав отработанного воздуха катода. Он может содержать инертный газ, такой как азот, или другой инертный газ. Отработанный воздух может быть сухим или может содержать воду, в зависимости от типа топливного элемента и, при необходимости, от настроек системы.

Принимая во внимание инертные свойства азота, отработанный воздух особенно хорошо подходит для противопожарной защиты помещений.

В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения предлагается использовать описанную систему пожарной защиты для снижения общего содержания кислорода и, следовательно, для снижения окисления в помещении. При хранении продуктов окисление воздухом может приводить к их порче, при этом содержащиеся в них жиры становятся прогорклыми. Кроме того, в случае применения предлагаемой системы может быть снижено использование антиоксидантных средств в пищевых продуктах и пластмассах, за счет чего может быть исключено образование радикалов.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения описанная система пожарной защиты может быть использована для создания не содержащей микробов, стерильной атмосферы в помещении, так как рабочая температура топливных элементов обычно составляет около 80°С. Это особенно важно для хранения органических продуктов и для создания чистых помещений.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, описанная система пожарной защиты может быть использована для создания атмосферы со сниженным содержанием кислорода в помещении (на летательном аппарате), для медицинских и спортивных целей (например, для тренировки на высоте над уровнем моря). Вдыхание воздуха с пониженным содержанием кислорода приводит к обогащению крови гемоглобином (эритроцитами). При повышении содержания гемоглобина, больше кислорода может поступать в кровь.

Предложенная здесь система топливных элементов для снижения содержания кислорода может быть использована, например, в тренировочных залах, в спальных помещениях, в рабочих пространствах и в небольших устройствах, например, для снижения содержания кислорода в респираторных масках. За счет использования такой системы спортсмены могут улучшить свои достижения, а альпинисты могут подготовиться к длительному нахождению на больших высотах.

Количество и качество требующегося для противопожарной защиты отработанного воздуха с пониженным содержанием кислорода обычно зависит от конкретного защищаемого помещения. Например, такие факторы, как скорость обновления воздуха в помещении, свойства хранимых продуктов или присутствие людей являются решающими при осуществлении текущего контроля помещения и управления и регулирования системы пожарной защиты, предназначенной для снижения содержания кислорода с использованием топливных элементов.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, система пожарной защиты дополнительно имеет блок управления или регулирования, предназначенный для подстройки содержания кислорода в помещении.

Подстройка содержания кислорода может быть осуществлена за счет изменения значения лямбда катода топливного элемента. Значение лямбда представляет собой отношение количества кислорода, подаваемого в топливный элемент, к количеству кислорода, преобразуемого внутри топливного элемента. Это отношение можно подстраивать за счет регулирования воздухоподачи топливного элемента (например, при помощи воздуходувки). В том случае, когда содержание кислорода в отработанном газе катода является слишком высоким, воздухоподачу и, следовательно, значение лямбда следует снизить. Таким образом, содержание кислорода внутри помещения можно контролировать за счет подачи адекватного отработанного воздуха катода в помещение.

Следовательно, содержание кислорода можно подстраивать или изменять в зависимости от требований. Управление и регулирование производят полностью автоматически. Например, содержание кислорода можно подстроить, когда в помещение входят люди, так чтобы оно составляло около 15 об.%. За счет этого, с одной стороны, люди могут находиться в помещении, но, с другой стороны, опасность возгорания или опасность пожара по сравнению с обычным воздухом может быть значительно снижена. Система противопожарной защиты при этом может быть использована для защиты или превентивно.

С другой стороны, например, при помощи блока управления или регулирования, можно обеспечить, чтобы содержание кислорода всегда оставалось ниже заданного максимального значения, например, ниже 12 об.%, или еще ниже.

Само собой разумеется, что блок управления или регулирования может быть выполнен как только блок управления. Тогда регулирование может быть осуществлено вручную.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения блок управления или регулирования предназначен для управления или регулирования по меньшей мере одного параметра, выбранного из группы, в которую входят воздухоподача на катод топливного элемента, топливоподача на анод топливного элемента и подача обогащенного азотом отработанного воздуха катода в помещение.

Таким образом, мощность топливного элемента можно регулировать в зависимости от потребностей, когда потребителям необходимо подавать больше или меньше топлива, больше или меньше воздуха или больше или меньше электроэнергии. Кроме того, поступление обогащенного азотом отработанного воздуха катода в помещение можно контролировать или регулировать, например, при помощи соответствующего клапана, управляемого блоком управления или регулирования.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, система пожарной защиты дополнительно содержит смеситель, который перемешивает отработанный воздух катода с окружающим воздухом, до подачи в помещение. Таким образом, содержание кислорода в отработанном воздухе катода может быть повышено до определенного уровня после выпуска с катода. Кроме того, смеситель позволяет охлаждать отработанный воздух катода, так что требования к теплообменнику снижаются или же он может быть исключен. Смесителем может управлять центральная система управления.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты дополнительно содержит измерительное устройство, предназначенное для измерения по меньшей мере одного физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в помещении, содержание водорода в помещении, температура в помещении, давление в помещении, содержание влаги в помещении, и датчик для обнаружения характеристик пожара в помещении. Кроме того, система пожарной защиты содержит линию передачи данных, предназначенную для передачи измеренных физических параметров из измерительного устройства в блок управления или регулирования.

Таким образом, можно измерять физические параметры в помещении. Если, например, температура в помещении возрастает или если в нем образуется дым, то содержание кислорода может быть снижено за счет подачи отработанного воздуха катода, чтобы погасить начинающийся пожар. Аналогично, можно осуществлять текущий контроль давления. Если, например, давление превышает заданное значение, то может быть подан обогащенный азотом отработанный воздух катода, в котором параметры пожаротушения связаны с интенсивностью развития дыма. Автоматическое и постоянное поддержание заданного параметра является первоочередной задачей блока регулирования и управления системы пожарной защиты.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты дополнительно содержит измерительное устройство для измерения по меньшей мере одного физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в отработанном воздухе в системе труб, содержание водорода в отработанном воздухе в системе труб, содержание диоксида углерода в отработанном воздухе в системе труб, содержание угарного газа в отработанном воздухе в системе труб, содержание оксида азота в отработанном воздухе в системе труб, объемный расход отработанного воздуха в системе труб, температура отработанного воздуха в системе труб, давление отработанного воздуха в системе труб и содержание влаги в отработанном воздухе в системе труб. Кроме того, система пожарной защиты может содержать линию передачи данных, предназначенную для передачи измеренных физических параметров из измерительного устройства в блок регулирования и управления.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты дополнительно содержит клапан для выпуска отработанного воздуха катода из системы труб в окружающую среду. Если, например, содержание кислорода в отработанном воздухе в системе труб превышает заданное значение или падает ниже заданного значения, это может быть обнаружено при помощи измерительного устройства и передано в блок регулирования и управления, причем, при необходимости, клапан может быть открыт, чтобы подавать отработанный воздух не в помещение, а в окружающую среду.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты дополнительно содержит клапан сброса давления, предназначенный для регулировки повышенного давления в помещении.

Если, например, давление в помещении превышает заданное пороговое значение или если разность между давлением внутри помещения и средой вокруг помещения превышает заданное значение, то, соответственно, воздух может быть выпущен в окружающую среду.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, система пожарной защиты дополнительно содержит компрессор для сжатия обогащенного азотом отработанного воздуха катода для того, чтобы повысить эффективность пожаротушения, и/или теплообменник для охлаждения обогащенного азотом отработанного воздуха катода.

За счет этого обогащенный азотом воздух катода может быть сжат или охлажден ранее его подачи в помещение.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты дополнительно содержит конденсатор, предназначенный для конденсации воды из обогащенного азотом отработанного воздуха катода, и водяной бак для хранения сконденсированной воды.

За счет этого может быть получена отработанная вода катода, которая затем может быть направлена в бак для хранения. Из этого бака для хранения вода затем может быть подана, например, в источник воды летательного аппарата, или может быть использована в случае пожара для его гашения.

Может быть также предусмотрена прямая линия из конденсатора в водную систему летательного аппарата (без хранения сконденсированной воды в водяном баке).

Кроме того, также может быть предусмотрена подача воды из конденсатора в систему реформинга водорода, чтобы установка реформинга могла производить водород.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты содержит кондиционер для поддержания заданного состояния воздуха в помещении. За счет этого воздух может быть отобран, охлажден и вновь подан в помещение, без воздействия на содержание кислорода в помещении. Кроме того, кондиционер может быть использован для обеспечения заданного состояния отработанного воздуха топливного элемента ранее его подачи в помещение. Таким образом, например, после конденсации и ранее подачи в помещение, может быть установлен необходимый уровень температуры воздуха.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения система пожарной защиты дополнительно содержит линию, предназначенную для отвода отработанного воздуха катода топливного элемента из помещения, за счет чего содержание кислорода в помещении может быть дополнительно снижено.

Этим отводом воздуха, например, можно управлять при помощи блока управления и регулирования, когда необходимо дополнительно понизить содержание кислорода в помещении, чтобы дополнительно повысить противопожарную защиту. В других случаях (или одновременно) топливный элемент может получать внешний воздух или также воздух из салона самолета.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения блок управления или регулирования служит для управления или регулирования теплообменника, компрессора, смесителя, клапана сброса давления, стравливающих клапанов, кондиционера, а также для подачи воды в установку реформинга водорода.

Таким образом, в зависимости от требований, температура обогащенного азотом отработанного газа катода, вводимого в помещение, может быть снижена соответствующим образом. Кроме того, может быть подстроена степень сжатия воздухоподачи анода, воздухоподачи катода или обогащенного азотом отработанного воздуха катода, вводимого в помещение.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения отработанный воздух катода может быть подан на другие топливные элементы, так что отработанный воздух с одного катода служит воздухоподачей для других топливных элементов. Это ведет к дополнительному снижению содержания кислорода на выходе соединенных друг с другом топливных элементов.

В соответствии с еще одним вариантом системы пожарной защиты в соответствии с настоящим изобретением отработанный воздух катода также может быть подан на дополнительное устройство для снижения содержания кислорода. Для этого может быть использована, например, мембрана фракционирования воздуха. Она разделяет отработанный воздух катода на два потока: обогащенный кислородом воздух и обогащенный азотом воздух. Обогащенный кислородом воздух выпускают в атмосферу, а оставшийся обогащенный азотом воздух может быть подан в помещение.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения требующуюся для системы пожарной защиты электрическую и тепловую энергию получают непосредственно от топливного элемента.

Таким образом, не требуется использовать внешний источник энергии. Система может работать автономно и вырабатывать энергию для собственных нужд.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения помещением, в котором снижена опасность пожара, является помещение на летательном аппарате.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения описанную здесь систему пожарной защиты используют для противопожарной защиты помещения на летательном аппарате.

В соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения описанную здесь систему пожарной защиты используют для противопожарной защиты помещения в здании.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения описанную здесь систему (пожарной защиты) используют для общего снижения содержания кислорода, чтобы имитировать высоту над уровнем моря и уменьшать окисление (окисление продуктов) в помещении.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается летательный аппарат, который содержит описанную здесь систему пожарной защиты, предназначенную для противопожарной защиты помещения на летательном аппарате.

Более того, в соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения предлагается способ противопожарной защиты, в котором обогащенный азотом отработанный воздух катода получают при помощи топливного элемента и затем обогащенный азотом отработанный воздух катода вводят в помещение, чтобы понизить содержание кислорода в помещении, для того, чтобы снизить опасность пожара.

Таким образом, предлагается способ, при помощи которого может быть обеспечена улучшенная противопожарная защита в помещении летательного аппарата. В этом случае не требуется использовать другие системы пожаротушения, такие как системы с использованием галогенированных углеводородов (Halon). Кроме того, некоторые области летательного аппарата, такие как электронные стойки или небольшие скрытые области, могут быть эффективно защищены от возникновения пожара за счет снижения содержания кислорода в этих областях.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения в помещении измеряют физические параметры, такие как температура в помещении, давление в помещении, содержание кислорода в помещении, содержание влаги в помещении, содержание водорода в помещении, или образование дыма в помещении. Эти измеренные параметры затем могут быть переданы из измерительного устройства на блок управления или регулирования, для подстройки содержания кислорода в помещении. Содержание кислорода в помещении может быть построено за счет подачи отработанного воздуха катода в помещение. Содержание кислорода в отработанном воздухе катода может быть построено за счет управления значением лямбда катода при помощи блока управления. Кроме того, смеситель может повышать содержание кислорода или блок разделения воздуха может дополнительно снижать содержание кислорода в отработанном воздухе катода, подаваемом в помещение.

В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения измеряют физические параметры в системе труб, такие как, например, содержание кислорода в отработанном воздухе, содержание водорода в отработанном воздухе, содержание диоксида углерода в отработанном воздухе, содержание угарного газа в отработанном воздухе, содержание оксида азота в отработанном воздухе, объемный расход отработанного воздуха, температура отработанного воздуха, давление отработанного воздуха и содержание влаги в отработанном воздухе. Кроме того, система пожарной защиты может содержать линию передачи данных, предназначенную для передачи измеренных физических параметров из измерительного устройства в блок регулирования и управления.

За счет этого можно подстраивать содержание кислорода в помещении в соответствии с реальными условиями в помещении.

Дополнительные примерные варианты настоящего изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Далее предпочтительные примерные варианты настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на схематичные чертежи, не обязательно приведенные в реальном масштабе, на которых аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показана блок-схема системы пожарной защиты в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.2 схематично показана блок-схема системы пожарной защиты в соответствии с другим примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.3 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.4 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с другим примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.5 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.6 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.7 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.8 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения.

На фиг.9 схематично показана структурная схема системы пожарной защиты в соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 схематично показана блок-схема системы пожарной защиты, предназначенной для снижения риска возгорания в помещении, например, в салоне самолета (летательного аппарата), выполненной в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения. Как это показано на фиг.1, система 100 пожарной защиты имеет топливный элемент или батарею 1 топливных элементов, которую снабжают на стороне впуска соответствующими исходными материалами 5, 9 и которая вырабатывает электрическую энергию 101, тепловую энергию 102 и воздух 2 с уменьшенной долей кислорода.

Водяной пар может быть добавлен в воздух и топливный элемент, в зависимости от конструкции топливного элемента 1. Затем воздух 2 с уменьшенным содержанием кислорода подают для целей противопожарной защиты по соответствующей линии 16 в защищаемое помещение.

На фиг.2 схематично показана блок-схема системы 100 пожарной защиты в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения. В системе, показанной на фиг.2, отработанный воздух 2 разделяют при помощи конденсатора 19 на воду 20 и сухой, обогащенный азотом (обедненный кислородом) воздух 202. В этом случае только сухой обогащенный азотом воздух 202 служит в качестве инертного защитного газа, который подают по соответствующей линии 16 в защищаемое помещение.

Все помещения и объекты могут быть "сделаны инертными" за счет подачи отработанного воздуха топливного элемента, или все возгорания в помещениях и на объектах могут быть потушены при помощи отработанного воздуха катода. При снижении содержания кислорода ниже ориентировочно 15 об.%, возникает ограничение, связанное с тем, что эти помещения и объекты не должны служить для постоянного нахождения людей и животных. При снижении содержания кислорода ниже ориентировочно 17 об.%, вероятность возгорания может быть значительно снижена, однако при этом в таких помещениях возможно более длительное нахождение людей. Снижение содержания кислорода позволяет снизить опасность пожара или взрыва.

Использование отработанного газа топливного элемента является безвредным для окружающей среды и не токсичным.

При использовании системы топливных элементов для получения электрического тока, тепла и/или воды, обедненный кислородом воздух удаляют в качестве побочного продукта.

Система 100 пожарной защиты может быть использована как на транспортных средствах или на летательных аппаратах, так и в стационарных применениях, например, в зданиях.

На фиг.3 и на фиг.4 схематично показаны структурные схемы системы 100 пожарной защиты в соответствии с другими примерными вариантами настоящего изобретения. В качестве топливного элемента 1 могут быть использованы любые типы топливных элементов. Кроме того, могут быть использованы множество топливных элементов 1, которые, например, соединены вместе для образования батареи топливных элементов, или (для резервирования) установлены в различных местах (см. системы 501, 502, 503 топливных элементов и помещения 504, 505 на фиг.4). Указанным образом может быть дополнительно повышена надежность предложенной здесь системы 100 пожарной защиты.

В качестве топливного элемента 1 может быть использован, например, так называемый щелочной топливный элемент (AFC), протонообменный топливный элемент (PEMFC), топливный элемент с использованием фосфорной кислоты (PAFC), топливный элемент с использованием расплавленного карбоната (MCFC), топливный элемент с использованием твердого оксида (SOFC), или прямой топливный элемент с использованием этилового/метилового спирта (DAFC/DMFC). Однако следует иметь в виду, что могут быть использованы и другие типы топливных элементов.

Как это показано на фиг.3, топливный элемент 1 получает на стороне анода топливо 3, а на стороне катода воздух 4.

Топливо 3, которое подают на анод 31, может быть различным в зависимости от типа топливного элемента. Для целей настоящего изобретения неважно, какой тип топлива используют. Например, в качестве топлива 3 может быть использован водород, который получают, например, за счет реформинга из углеводородов, имеющихся в топливе летательного аппарата. Для реформинга водорода может потребоваться вода, которая может поступать на установку для реформинга по питательной линии из баков хранения воды.

Топливоподачу 5 контролируют и регулируют при помощи блока 6 измерения, управления и регулирования. Для измерения используют датчик блока 6 измерения, который измеряет, например, объем, температуру и/или давление, или также массу, причем блок 6 затем производит обработку измеренных физических параметров, чтобы на этом основании осуществлять затем соответствующее управление или регулирование.

Измеренные данные могут быть переданы по линии 27 на центральный блок 23 управления и регулирования, который затем производит соответствующие подстройки топливоподачи 5, например, за счет регулировки соответствующих клапанов в линии топливоподачи 5.

Для того, чтобы довести топливо 3 до уровня температуры и давления топливного элемента 1, при необходимости могут быть использованы теплообменник 7 и/или компрессор 8, подключенные к топливному элементу 1.

Воздухоподачу 9 на стороне катода 32 топливного элемента контролируют и регулируют аналогично топливоподаче 5, при помощи блока 10 измерения, управления и регулирования. При этом измеряемыми параметрами также могут быть объем, температура, давление, масса или массовый расход, а также значение лямбда (избыток воздуха) или чистота подаваемого воздуха.

И в этом случае измеренные данные могут быть переданы по линии 26 на центральный блок 23 управления и регулирования, который затем производит соответствующую регулировку клапана или другого аналогичного элемента в линии воздухоподачи 9.

Кроме того, фильтр 11, воздуходувка 12, теплообменник 13 или компрессор 14 могут быть подключены индивидуально или в любой комбинации к топливному элементу 1 и к блоку 23 управления и регулирования.

При воздухоподаче 9 важно, чтобы воздух содержал азот. На летательном аппарате, например, может быть использован внешний воздух или воздух салона.

Существует также возможность подачи воздуха по линии 15 из помещения 25 или от объекта 25, на которые был подан обогащенный азотом отработанный воздух 2 катода, вновь на топливный элемент 1. Указанным образом порция кислорода в помещении 25 может быть дополнительно снижена, в результате чего противопожарная защита становится еще эффективнее.

Линия 15 и другие средства 4 подачи воздуха могут контролироваться или регулироваться при помощи центрального блока 23 управления и регулирования.

Важно, чтобы отработанный газ 2 катода имел более низкое содержание кислорода и более высокое содержание азота, чем воздухоподача 9 на стороне катода. В зависимости от типа топливного элемента, отработанный воздух катода содержит полученную в виде продукта воду, когда реакция водород/кислород протекает на стороне катода.

Этот отработанный воздух 2 имеет инертные свойства за счет его увеличенной порции азота, что приводит к тому, что пожар не может возникать или по меньшей мере может распространяться намного медленнее, чем в нормальных условиях.

Например, отработанный воздух 2 катода со скоростью преобразования кислорода (лямбда) 2 (что означает, что 50% поданного кислорода вступают в реакцию в топливном элементе 1 с водородом с образованием воды) имеет содержание кислорода около 10.5 об.%. Нормальный воздух имеет содержание кислорода около 21 об.%.

Этот отработанный воздух может быть подан непосредственно по системе 16 труб в помещение или на объект 25, что приводит к снижению содержания кислорода в помещении или на объекте 25.

При помощи измерительных устройств 401, 403 (см. фиг.4), непрерывно контролируют отработанный воздух катода, производя текущий контроль по меньшей мере одного физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода, содержание водорода, давление, температура, содержание влаги, объемный расход, содержание диоксида углерода, содержание угарного газа и содержание оксида азота. Другие измерительные точки 402, 404, 405 могут быть расположены, например, в системе 16 труб, до подачи в помещение 25 или на впуск анода или на впуск катода топливного элемента. Измеренные данные передают на центральный блок 23 управления и регулирования. В зависимости от ситуации выпускные клапаны могут переключать воздухоподачу в помещение или выпускать отработанный воздух в окружающую среду.

При помощи компрессора 17 и/или теплообменника 18, обогащенный азотом отработанный воздух 2 катода может быть сжат и/или охлажден, ранее его подачи в помещение или на объект 25.

Как уже было указано здесь выше, в зависимости от типа топливного элемента, обогащенный азотом отработанный воздух 2 катода может содержать воду, если это необходимо. В этом случае может быть использован конденсатор 19 (в дополнение к компрессору 17 и теплообменнику 18 или вместо них). Конденсатор 19 конденсирует воду, которая поступает в водяной бак 20 или поступает непосредственно во внешнюю водную систему 201. Водной системой 20 может быть бортовая система внутреннего потребления, а также система 32 пожаротушения. Этой дополнительной системой 32 пожаротушения можно управлять при помощи управляющего регулятора 23. При наличии установки 405 для реформинга водорода, сконденсированная вода может быть подана в процесс реформинга.

Полученный слегка влажный или полностью сухой воздух, в зависимости от степени конденсации, как уже было указано здесь выше, теперь может быть подан к источнику возгорания в помещении, непосредственно или через компрессор 21.

Содержание кислорода в воздухе в помещении 25 может быть снижено до заданного содержания. В зависимости от вида использования, содержание кислорода может быть различным.

При содержании кислорода 15 объем. %, многие материалы не могут гореть. Однако при этом содержании кислорода вход людей в помещение все еще возможен.

Например, блок 23 управления и регулирования может быть запрограммирован так, чтобы содержание кислорода в помещении 25 удерживалось постоянным на уровне 15 об.%. Однако возможны и другие виды программирования. Например, блок 23 управления и регулирования может быть запрограммирован так, чтобы содержание кислорода в помещении 25 всегда лежало ниже регулируемого порогового значения. Если происходит приближение к пороговому значению снизу, то при необходимости могут быть подключены дополнительные топливные элементы или увеличено питание топливного элемента и, следовательно, может быть увеличен объемный расход отработанного воздуха катода.

Для этого помещение 25 может иметь измерительное устройство 22, которое подключено к блоку 23 управления и регулирования (при помощи линии 28). Измерительное устройство 22 служит для постоянного измерения и текущего контроля содержания кислорода и, при необходимости, дополнительных параметров, таких как, например, давление, температура, образование дыма и содержание водорода в помещении 25.

Кроме того, предусмотрен редукционный клапан 24, который позволяет регулировать степень повышенного давления.

Измерительное устройство 22 непрерывно измеряет содержание кислорода, температуру и давление. Соответствующая информация передается на блок 23 управления или регулирования.

Появление дыма можно также обнаруживать визуально, например, с использованием видеокамеры. Полученные изображения подвергаются электронной оценки и при необходимости передаются в кабину экипажа, так чтобы пилот мог оценить ситуацию в помещении 25.

Кроме того, может быть предусмотрен кондиционер, который отбирает воздух из помещения 25, нагревает или охлаждает его, и вновь подает воздух в помещение. За счет этого, например, при чрезмерном повышении температуры в помещении, воздух больше не подают снаружи в помещение. За счет этого можно поддерживать постоянным содержание кислорода и можно контролировать температуру. Кроме того, кондиционер также может быть использован для регулировки температуры в линии 16 подачи.

Блок 23 управления и регулирования производит регулирование и/или управление, в частности, воздухоподачей 9, чтобы подстраивать содержание кислорода в отработанном воздухе, топливоподачей 5, подачей 2 обогащенного азотом отработанного воздуха катода, и производит управление и/или регулирование всех клапанов, теплообменников, компрессоров, смесителей, кондиционеров и воздуходувок, предусмотренных в системе 100 пожарной защиты.

Системой управления и регулирования можно управлять по линии 29. Линию 16 подачи из помещение 25 можно регулировать при помощи клапана 30.

Кроме того, электрическая и тепловая энергия, которая требуется в системе, например, для компрессоров, теплообменника или кондиционера, может быть получена от топливного элемента 1, от внешнего источника (не показан на фиг.3) или от их комбинации.

На фиг.6 схематично показано последовательное соединение топливных элементов 601, 602. Отработанный воздух катода топливного элемента 601 служит в качестве воздухоподачи для другого топливного элемента 602. За счет этого можно дополнительно понизить содержание кислорода в отработанном воздухе катода второго топливного элемента 602. Такое техническое решение возможно только в ограниченной степени, так как топливные элементы требуют наличия определенного содержания кислорода, подводимого к катоду, чтобы не "задохнуться" при слишком малом содержании кислорода. Линия подачи от одного топливного элемента к другому, а также линия подачи от последнего топливного элемента 602 в помещение 603, могут содержать измерительные устройства, компрессоры и теплообменники, как это показано на фиг.3.

На фиг.7 показана структурная схема еще одной системы пожарной защиты. В этом случае, отработанный воздух 701 катода направляют на дополнительное устройство 702 для снижения содержания кислорода, такое как, например, мембрана фракционирования воздуха. За счет этого можно дополнительно понизить содержание кислорода в отработанном воздухе катода, ранее его подачи в помещение 703. Мембрана фракционирования воздуха разделяет воздух на обогащенный кислородом поток воздуха и на обогащенный азотом поток воздуха. Обогащенный кислородом поток воздуха выпускают в окружающую среду, а обогащенный азотом поток воздуха направляют в помещение.

Принципы снижения содержания кислорода при помощи топливных элементов 601 показаны на фиг.8. Преимущества снижения содержания кислорода, которые используют для противопожарной защиты, хранения продуктов, имитации высоты над уровнем моря, и во многих других применениях, могут быть дополнены за счет характеристик топливных элементов. Топливные элементы работают бесшумно, с малыми выбросами загрязняющие веществ, и позволяют очень эффективно вырабатывать электрический ток и теплоту. В сочетании со всеми применениями со снижением содержания кислорода, топливный элемент позволяет создать передовую систему выработки энергии и передовую систему повышения безопасности. Электрический ток и теплоту можно использовать для местных потребностей. Отработанный газ позволяет снижать содержание кислорода в помещениях 801. Помещения 801 защищают от пожара и в них снижают порчу хранимых продуктов за счет окисления. Дополнительное преимущество создается за счет рабочей температуры топливного элемента, которая составляет по меньшей мере 70°С, так что отработанный газ можно рассматривать как почти стерильный и не содержащий микробов.

Топливный элемент может вырабатывать энергию, обеспечивать противопожарную защиту, имитировать высоту над уровнем моря и улучшать условия хранения продуктов в одной системе.

Структурная схема автономной системы для выработки энергии и противопожарной защиты, которая найдет дополнительное применение в областях спорта, медицины и логистики, показана на фиг.9. Ток может быть получен возобновляемым образом различными путями и подан на электролизер 901 для выработки водорода и кислорода.

Ток может быть получен, например, с использованием фотоэлектрической энергии 902, водной энергии 903, энергии 904 ветра или другой энергии 905. Соответствующий генератор 906 (например, гидроэлектростанция или ветротурбина) подает ток на электролизер 901.

Электролизер позволяет вырабатывать водород и кислород из воды. Кислород может быть использован, например, в промышленных применениях или выпущен в окружающую среду. Полученный водород может быть направлен на хранение 907 или может быть подан непосредственно в топливный элемент 908. Кроме электролизера, альтернативно, водород может быть получен при помощи установки 909 для реформинга, получающей питание от источника 911 биогаза, от источника 912 углеводородов или от источника 913 природного газа. Кислород может быть получен из хранилища 910.

В дополнение к водороду, топливный элемент потребляет воздух, который подают из источника 914 воздуха. Выработанная энергия в виде тепловой и электрической энергии может быть подана потребителю 915 тепловой энергии или потребителю 916 электрической энергии, или подана в сеть. Аналогично, потребителем 923 может быть использована выработанная вода. Известны различные возможности использования обедненного кислородом воздуха 917, в том числе, например, использование для противопожарной защиты 919, для имитации 920 высоты над уровнем моря и для медицинских целей 921, или для снижения содержания кислорода для хранения пищевых продуктов или пластмасс 922. Обедненный кислородом воздух разделяют от полученной воды в разделительном устройстве 918.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.

В изобретении предлагается система пожарной защиты, которая имеет топливный элемент для выработки обогащенного азотом отработанного воздуха катода. Топливный элемент снабжают воздухом и топливом. Система включает трубы для подачи обогащенного азотом воздуха в помещение так, что содержание кислорода снижается, обеспечивая его пожаробезопасность. Система содержит устройство для измерения содержания кислорода и водорода в отработанном воздухе в трубах, содержит блок управления или регулирования для регулирования воздухоподачей на катод топливного элемента и для регулирования содержания кислорода в помещении за счет изменения лямбда катода топливного элемента. Отработанный воздух подают в защищаемое помещение. Способ пожарной защиты включает подачу воздуха снаружи в топливный элемент, который вырабатывает обогащенный азотом отработанный воздух, подачу этого воздуха в помещение так, что содержание кислорода в помещении понижается. При осуществлении способа применяется система пожарной защиты. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система пожарной защиты для снижения опасности пожара в помещении, содержащая топливный элемент (1) для выработки обогащенного азотом, отработанного воздуха катода; систему (16) труб для подачи обогащенного азотом отработанного воздуха катода в помещение (25), так что содержание кислорода в помещении (25) снижается, таким образом, что опасность пожара в помещении (25) снижается; измерительное устройство для измерения физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в отработанном воздухе в системе труб, и содержание водорода в отработанном воздухе в системе труб; и блок (23) управления или регулирования, для подстройки содержания кислорода в помещении (25) за счет изменения значения лямбда катода топливного элемента; причем блок (23) управления или регулирования служит для управления или регулирования воздухоподачей (9) на катод топливного элемента (1).

2. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит блок (23) управления или регулирования для подстройки содержания кислорода в помещении (25).

3. Система пожарной защиты по п.2, в которой блок (23) управления или регулирования служит для управления или регулирования, по меньшей мере, одного параметра, выбранного из группы, в которую входят воздухоподача (9) на катод топливного элемента (1), топливоподача (5) на анод топливного элемента (1) и подача обогащенного азотом отработанного воздуха катода в помещение (25).

4. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит первое измерительное устройство (6, 10, 22) для измерения, по меньшей мере, одного физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в помещении (25), содержание водорода в помещении (25), температура в помещении (25), давление в помещении (25), и образование дыма в помещении (25); линию (26, 27, 28) передачи данных, предназначенную для передачи измеренных физических параметров от первого измерительного устройства (22) на блок (23) регулирования и управления.

5. Система пожарной защиты по п.4, которая дополнительно содержит второе измерительное устройство для измерения физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в отработанном воздухе в системе труб, содержание водорода в отработанном воздухе в системе труб, содержание диоксида углерода в отработанном воздухе в системе труб, содержание угарного газа в отработанном воздухе в системе труб, содержание оксида азота в отработанном воздухе в системе труб, объемный расход отработанного воздуха в системе труб, температура отработанного воздуха в системе труб, давление отработанного воздуха в системе труб, и содержание влаги в отработанном воздухе в системе труб.

6. Система пожарной защиты по п.5, которая дополнительно содержит линию передачи данных, предназначенную для передачи измеренных физических параметров из первого или второго измерительного устройства на блок управления или регулирования.

7. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит стравливающий клапан для выпуска отработанного воздуха катода в окружающую среду.

8. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит клапан (23) сброса давления, предназначенный для регулировки повышенного давления в помещении (25).

9. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, в которую входят компрессор (17, 21) для сжатия обогащенного азотом отработанного воздуха катода, теплообменник (18) для охлаждения обогащенного азотом отработанного воздуха катода, и смеситель для перемешивания обогащенного азотом отработанного воздуха катода с окружающим воздухом.

10. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит конденсатор (19), предназначенный для конденсации воды из обогащенного азотом отработанного воздуха катода; и водяной бак (20) для хранения сконденсированной воды.

11. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит кондиционер для регулирования температуры в помещении.

12. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит линию (15) подачи, предназначенную для подачи на катод топливного элемента (1) воздуха из помещения (25) для дополнительного принижения содержания кислорода в помещении (25).

13. Система пожарной защиты по п.1, в которой блок (23) регулирования и управления дополнительно служит для управления или регулирования теплообменника (18), компрессора (8, 14, 17, 21), редукционного клапана (24), кондиционера, стравливающего клапана и смесителя, а также для подачи воды на установку для реформинга водорода.

14. Система пожарной защиты по п.1, в которой электрическую и тепловую энергию, требующуюся в системе пожарной защиты, получают непосредственно от топливного элемента (1).

15. Система пожарной защиты по п.1, которая дополнительно содержит второй топливный элемент (602) или мембрану фракционирования воздуха, соединенную с первым топливным элементом (1) для дальнейшего снижения содержания кислорода в отработанном воздухе катода.

16. Система пожарной защиты по п.1, в которой помещение представляет собой помещение на летательном аппарате.

17. Применение системы пожарной защиты по одному из пп.1-16 для противопожарной защиты помещения (25) на летательном аппарате.

18. Применение системы пожарной защиты по одному из пп.1-16 для противопожарной защиты в помещении (25) в здании.

19. Применение системы пожарной защиты по одному из пп.1-16 для противопожарной защиты помещения (25) на судне.

20. Применение системы пожарной защиты по одному из пп.1-16 для общего снижения содержания кислорода в помещении для занятия спортом, в помещении для медицинского применения или в помещении для хранения продуктов.

21. Применение по п.20, при котором воздух катода со сниженным содержанием кислорода подают в респираторную маску для дыхания воздухом катода со сниженным содержанием кислорода.

22. Летательный аппарат, который содержит систему пожарной защиты по одному из пп.1-16 для противопожарной защиты помещения (25) на летательном аппарате.

23. Способ пожарной защиты в помещении (25), включающий в себя следующие операции: подачу воздуха снаружи от помещения (25) в топливный элемент (1); выработку обогащенного азотом отработанного воздуха катода при помощи топливного элемента (1); подачу обогащенного азотом отработанного воздуха катода в помещение (25), так что содержание кислорода в помещении (25) понижается и опасность пожара в помещении (25) снижается; измерение физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в отработанном воздухе в системе труб и содержание водорода в отработанном воздухе в системе труб; подстройку содержания кислорода в помещении (25) при помощи блока (23) управления или регулирования за счет изменения значения лямбда катода топливного элемента; причем блок (23) управления или регулирования служит для управления или регулирования воздухоподачи (9) на катод топливного элемента (1).

24. Способ по п.23, который дополнительно включает в себя операцию подстройки содержания кислорода в помещении (25).

25. Способ по п.23 или 24, который дополнительно включает в себя следующие операции: измерение, по меньшей мере, одного физического параметра, выбранного из группы, в которую входят содержание кислорода в помещении (25), содержание водорода в помещении, температура в помещении (25), содержание влаги в помещении, давление в помещении (25), и обнаружение опасности пожара в помещении (25); и передача измеренных физических параметров из измерительного устройства (22) в блок (23) управления или регулирования, для регулирования содержания кислорода в помещении (25), за счет управления значением лямбда катода топливного элемента.