ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ Российский патент 2020 года по МПК H01M8/04 H01M8/10 

Область техники

Изобретение относится к устройствам для получения электроэнергии прямым преобразованием энергии топлива (водорода) и может быть использовано в условиях арктической зоны эксплуатации при резко отрицательных температурах окружающей среды.

Уровень техники

Известны энергоустановки с. топливными элементами, предназначенные для работы в условиях низких температур (например, патент США №6103410A). Однако, их использование в арктических условиях представляется сложным из-за блокирования каталитической поверхности электродов образующейся ледяной коркой при окислении смеси воздуха с водородом внутри топливного элемента.

Известна энергоустановка с топливным элементом по заявке ЕР 1113516 А1 (оп. 04.07.2001 Bulletin 2001/27), предусматривающая возможность холодного пуска, принятая за прототип, содержащая твердополимерный топливный элемент, источник водорода, воздуходувку, увлажнитель, регуляторы давления, дозаторы. Как следует из описания заявки, разогрев энергоустановки должен происходить за счет тепла, выделяющегося при рекомбинации водорода и кислорода на поверхности электродов при добавлении в период пуска воздуха в поток водорода, и водорода в поток воздуха. Однако при арктических температурах образующаяся при рекомбинации вода сразу же будет образовывать пленку льда на поверхности электродов и, следовательно, блокировать дальнейший процесс рекомбинации. Следовательно, недостатком прототипа является использование электродов топливного элемента в качестве источника стартового нагрева, препятствующее использованию энергоустановки при резко отрицательных (арктических) температурах.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик энергоустановки, заключающееся в ее эффективном использовании при резко отрицательных температурах окружающей среды, характерных для арктических регионов, что позволяет применять ее в качестве автономного источника питания для районов Крайнего Севера.

Технический результат достигается тем, что энергетическая установка с топливным элементом дополнительно содержит каталитический рекомбинатор и барботер, вход каталитического рекомбинатора соединен через краны-дозаторы с воздуходувкой и источником водорода, выход каталитического рекомбинатора соединен со входом барботера, а выход барботера соединен через краны-дозаторы с водородным и воздушным входами топливного элемента.

Краткое описание графических материалов

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:

1 - топливный элемент,

2 - емкость с водородом,

3 - воздуходувка,

4 - увлажнитель,

5 - регулятор давления,

6 - каталитический рекомбинатор,

7 - барботер,

8÷13- кран-дозатор.

Осуществление изобретения

Энергетическая установка с топливным элементом содержит твердополимерный топливный элемент 1, источник водорода 2, воздуходувку 3, увлажнитель 4, регуляторы давления 5, краны-дозаторы 8-13, а также каталитический рекомбинатор 6 и барботер 7, причем вход каталитического рекомбинатора 6 соединен через краны-дозаторы 10 и 11 с воздуходувкой 3 и источником водорода 2, выход каталитического рекомбинатора 6 соединен со входом барботера 7, а выход барботера 7 соединен через краны-дозаторы 12 и 13 с водородным и воздушным входами топливного элемента 1.

Заявленная Энергетическая установка с топливным элементом работает следующим образом. При холодном запуске краны-дозаторы 8 и 9 закрыты, открыты краны-дозаторы 10, 11, 12 и 13. Водород из источника водорода 2 и воздух от воздуходувки 3 в заданной пропорции подаются в каталитический рекомбинатор 6, где рекомбинируют с выделением тепла и образованием водяного пара. Полученная нагретая смесь поступает в барботер 7, наполненный метанолом, который поглощает водяной пар, осушая нагретый воздух для предотвращения образования наледи внутри топливного элемента 1. Осушенный нагретый воздух через краны-дозаторы 12 и 13 поступает в анодные и катодные пространства топливного элемента 1, постепенно нагревая его. Через некоторый промежуток времени возрастающая температура топливного элемента и всей энергоустановки в целом достигает уровня, при котором возможно протекание токообразующей реакции, краны-дозаторы 10, 11, 12 и 13 закрываются и открываются краны-дозаторы 8 и 9, водород и воздух начинают подаваться в анодные и катодные пространства топливного элемента 1, на электродах возникает напряжение и топливный элемент начинает работу. Выделяющееся при этом тепло поддерживает достигнутую положительную температуру энергоустановки.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении заявленный результат достигается тем, что энергоустановка с топливным элементом дополнительно содержит каталитический рекомбинатор и барботер, вход каталитического рекомбинатора соединен через краны-дозаторы с воздуходувкой и источником водорода, выход каталитического рекомбинатора соединен со входом барботера, а выход барботера соединен через краны-дозаторы с водородным и воздушным входами топливного элемента, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик энергоустановки, заключающееся в ее эффективном использовании при резко отрицательных температурах окружающей среды, характерных для арктических регионов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для получения электроэнергии прямым преобразованием энергии топлива (водорода), и может быть использовано в условиях арктической зоны эксплуатации при резко отрицательных температурах окружающей среды. Энергетическая установка с топливным элементом содержит каталитический рекомбинатор и барботер, при этом вход каталитического рекомбинатора соединен через краны-дозаторы с воздуходувкой и источником водорода, выход каталитического рекомбинатора соединен с входом барботера, а выход барботера соединен через краны-дозаторы с водородным и воздушным входами топливного элемента. Повышение надежности работы энергетической установки за счет предотвращения образования наледи при запуске метанольного топливного элемента является техническим результатом изобретения. 1 ил.

Энергетическая установка с топливным элементом для арктической зоны, содержащая твердополимерный топливный элемент, источник водорода, воздуходувку, увлажнитель, регуляторы давления, краны-дозаторы, отличающаяся тем, что содержит каталитический рекомбинатор и барботер, вход каталитического рекомбинатора соединен через краны-дозаторы с воздуходувкой и источником водорода, выход каталитического рекомбинатора соединен с входом барботера, а выход барботера соединен через краны-дозаторы с водородным и воздушным входами топливного элемента.