ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2016 года по МПК H01M8/06 

Изобретение относится к энергетическому оборудованию с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) и может быть использовано для получения электрической энергии как в стационарных установках, так и на транспорте, а также при производстве и эксплуатации энергоустановок.

Аналогом предлагаемого изобретения может служить энергетическая установка (ЭУ) с ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ (В.Н. Коровин. Электрохимические генераторы, М.: Энергия, 1974 г., стр. 93), которая содержит системы подачи кислорода и водорода, батарею ТЭ с контуром теплоносителя, включающим теплообменник для подогрева батареи ТЭ. Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке, связанная с посторонним специальным источником энергии для обеспечения надежной ее эксплуатации.

Известна энергетическая установка ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащая батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита (патент США 3935028, кл. Н01М 8/04, 1976). Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке, связанная со сливом, заправкой и разогревом электролита.

Известна ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащая батарею топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода с трубопроводами для подачи водорода и кислорода в ЭХГ, контур циркуляции электролита с насосом и теплообменником нагрева батареи ТЭ, датчик температуры батареи ТЭ и блок управления работой ЭХГ (патент РФ №2280924 от 27.07.2006). Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке при низких температурах окружающей среды, связанная с отсутствием дополнительных источников энергии.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов (прототип), содержащая батареи топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода с трубопроводами для подачи водорода и кислорода в батарею топливных элементов, датчик температуры батареи топливных элементов, а также блок управления, каталитические дожигатели и датчики температуры, последовательно установленные соответственно на трубопроводах подачи кислорода и водорода на входе в батарею топливных элементов электрохимического генератора, трубопровод подачи водорода в каталитический дожигатель, установленный на трубопроводе подачи кислорода в батарею топливных элементов с дросселем и клапаном, соединенный с трубопроводом подачи водорода в батарею топливных элементов, и трубопровод подачи кислорода в каталитический дожигатель, установленный на трубопроводе подачи водорода в батарею топливных элементов с дросселем и клапаном, соединенный с трубопроводом подачи кислорода в батарею топливных элементов (патент РФ №2417487).

Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке, связанная с отсутствием контроля утечек водорода из системы хранения и подачи водорода, а также возможностью накопления в каталитических дожигателях взрывоопасной водородно-кислородной смеси.

Технической задачей изобретения является: устранение проблемы водородной безопасности в соответствии со стандартом EN 60079-10 за счет исключения хранения водорода (водород вырабатывается после запуска и в процессе работы энергетической установки) и обеспечение пожаровзрывобезопасности работы ЭУ с ЭХГ, снижение металлоемкости энергетической установки, за счет введения турбонасосной системы подачи компонентов для получения водорода и кислорода, повышение надежности работы и запуска ЭХГ без дополнительных посторонних источников энергии за счет использования теплоты получаемых парогазовых смесей водорода и кислорода.

Указанный технический результат достигается тем, что в энергоустановку с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащую батарею топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода по трубопроводам в батарею топливных элементов, датчик температуры батареи топливных элементов, а также блок управления, введены насосная система подачи компонентов получения кислорода и водорода, содержащая турбонасосный агрегат с каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода, бак с перекисью водорода, бак с водной суспензией алюминия, бак с водным раствором едкого натра, реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия, и система вытеснения подаваемых компонентов.

Кроме того, энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов может быть снабжена компрессорной системой вытеснения подаваемых компонентов из бака перекиси водорода, из бака водного раствора едкого натра и бака водной суспензии алюминия.

Кроме того, энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов может быть снабжена дополнительным каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода для системы вытеснения подаваемых компонентов из бака перекиси водорода, из бака водного раствора едкого натра и бака водной суспензии алюминия

Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации энергоустановки с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, заключающемся в разогреве до рабочей температуры батареи топливных элементов, разогрев осуществляется за счет теплоты парогазовой смеси водорода и парогазовой смеси кислорода.

Сущность изобретения заключается в следующем. Кислород и водород получают непосредственно в процессе работы ЭУ с ЭХГ. Кислород получают в каталитическом газогенераторе разложения перекиси водорода, водород получают в реакционным сосуде гидролиза твердого реагента - алюминия, при этом подачу компонентов в каталитический газогенератор и реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия - обеспечивает турбонасосный агрегат. В каталитическом газогенераторе разложения и реакционном сосуде гидролиза твердого реагента - алюминия получают парогазовые смеси со значительным содержанием теплоты, которую используют для подогрева топливного элемента.

Предлагаемая ЭУ с ЭХГ схематично представлена на рисунке и содержит батарею топливных элементов 1, магистраль подвода кислородно-паровой смеси 2, пуско-отсечные клапаны 3, бак с водным раствором едкого натра 4, обратные клапаны 5, бак с водной суспензией алюминия 6, систему вытеснения 7, которая может выполнена компрессорной или с дополнительным каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода, редуктор давления 8, бак с перекисью водорода 9, каталитический газогенератор разложения перекиси водорода 10, турбонасосный агрегат 11, магистраль подачи водного раствора едкого натра 12, магистраль подачи водной суспензии алюминия 13, бак с продуктами гидролиза 14, магистраль отвода продуктов гидролиза 15, реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия 16, магистраль подвода водородно-паровой смеси 17, датчик температуры 18 и блок управления 19.

ЭУ с ЭХГ работает следующим образом. Блок управления 19 запускает систему вытеснения 7 (компрессор или дополнительный каталитический газогенератор разложения перекиси водорода) и пусковые клапаны 3, через редукторы 8 газ поступает в баки 4, 6, 9, запускается каталитический газогенератор разложения перекиси водорода 10, кислородно-паровая смесь поступает в газовую турбину турбонасосного агрегата (ТНА) 11, насосы ТНА подают водный раствор едкого натра по магистрали 12 и водную суспензию алюминия по магистрали 13 в реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия 16, из которого по магистрали 17 водородно-паровая смесь подается в батарею топливных элементов 1, а по магистрали 15 отводятся продукты гидролиза в бак 14. Контроль температуры в топливном элементе 1 осуществляется датчиком температуры 18. При останове ЭУ с ЭХГ по команде от блока управления 19 срабатывают отсечные клапаны 3. Все операции пуска, контроля температуры и останова осуществляются блоком управления 19.

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано для получения электрической энергии как в стационарных установках, так и на транспорте, а также при производстве и эксплуатации энергоустановок. Повышение эффективности работы энергоустановки с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, а также повышение безопасности, снижение металлоемкости и эксплуатационных расходов благодаря исключению баллонной системы подачи кислорода и водорода является техническим результатом изобретения. Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов с системой подачи водорода и кислорода по трубопроводам в батарею топливных элементов, с датчиком температуры батареи топливных элементов и блоком управления, дополнительно содержит насосную систему подачи компонентов получения кислорода и водорода, содержащую турбонасосный агрегат с каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода, бак с перекисью водорода, бак с водной суспензией алюминия, бак с водным раствором едкого натра, реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия, и систему вытеснения подаваемых компонентов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, включающая батарею топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода по трубопроводам в батарею топливных элементов, датчик температуры батареи топливных элементов, а также блок управления, отличающаяся тем, что введены насосная система подачи компонентов получения кислорода и водорода, содержащая турбонасосный агрегат с каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода, бак с перекисью водорода, бак с водной суспензией алюминия, бак с водным раствором едкого натра, реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия и система вытеснения подаваемых компонентов.

2. Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов по п. 1, отличающаяся тем, что снабжена компрессорной системой вытеснения подаваемых компонентов из бака перекиси водорода, из бака водного раствора едкого натра и бака водной суспензии алюминия.

3. Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов по п. 1, отличающаяся тем, что снабжена дополнительным каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода для системы вытеснения подаваемых компонентов из бака перекиси водорода, из бака водного раствора едкого натра и бака водной суспензии алюминия.