СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК B63H21/17 B63B25/14 F17C1/00 F17C11/00 B63B43/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к судовым и корабельным энергетическим установкам, преимущественно к подводным, использующим водород и, в первую очередь, к энергоустановкам на низкотемпературных топливных элементах.

Уровень техники

Виды систем хранения водорода известны и достаточно хорошо изучены [1]-[3].. При этом все известные системы хранения водорода, включая баллонную, криогенную, интерметаллидную в конечном итоге можно представить себе размещенными в прочных, рассчитанных на забортное давление, капсулах, эффективность которых в плане энергоемкости можно охарактеризовать двумя основными параметрами:

удельной массовой водородоемкостью, %, как доля массы водорода в массе системы хранения;

удельной объемной водородоемкостью, кг/дм³, как отношение массы водорода к объему системы хранения.

Разумеется, при этом предполагается, что остальные параметры систем, определяющие условия их использования, а именно параметры окружающей среды и качество (прежде всего чистота) водорода одинаковы или близки. Авторами рассмотрено много открытых литературных, включая патентные, материалов, в том числе [4]-[7], приведенные в конце заявки, но достаточно близкого по постановке задачи и ее решению прототипа найти не удалось.

Так, например, в патенте [4] рассмотрена энергоустановка подводного аппарата с электрохимическим генератором с водородно-кислородными топливными элементами, с использованием криогенных емкостей для хранения водорода и кислорода. Для данной энергоустановки не определены в патенте массогабаритные характеристики, поэтому нельзя судить о плавучести модульного энергоотсека.

Криогенные емкости для хранения водорода и кислорода имеют сложную конструкцию. Недостатком криогенного хранения водорода является его высокая стоимость и большие потери при перевозках, что ограничивает его срок хранения на борту подводного аппарата. В данном варианте рассмотрена только одна система хранения и генерации водорода на борту подводного аппарата.

В материалах патента [5] рассмотрена энергетическая установка плавательного средства, где указано на большую массу интерметаллида при использовании в качестве системы хранения водорода, сложность терморегулирования и предложен способ получения водорода гидролизом алюминия в водном растворе едкого натра, при этом стоит отметить, что чистота водорода будет недостаточной для эффективного функционирования энергетической установки на топливных элементах [8], и для этого потребуется поставить блок газовой очистки, что добавит массу энергоустановке подводного аппарата и негативно скажется на плавучести. Также необходимость предусмотреть емкости для сбора продуктов реакции добавит дополнительную массу энергоустановке. В патенте отсутствует альтернативный вариант системы хранения и генерации водорода.

В патенте [6] рассмотрена энергоустановка плавательного средства, содержащая кислородо-водородные топливные элементы. Водород в данном патенте получают при помощи парового риформинга метанола, который частично подогревается в электрохимическом генераторе за счет тепла электрохимической реакции. Недостатком является наличие промежуточного блока разделения газов, который увеличивает габариты и массу энергоустановки, в то же время неиспользованный метанол ничем не охлаждается и подмешивается в общую емкость хранения. В данном варианте энергоустановки рассмотрен только один источник энергии.

В патенте [7] рассмотрен комбинированный источник тока, в состав которого входит кислород-водородный электрохимический генератор и гидронный химический источник тока (ХИТ). Гидронный ХИТ подразумевает под собой систему Al-Н₂O, где водород выделяется как на аноде, так и на инертном катоде в токообразующем процессе. Из материалов патента сложно судить о чистоте водорода и необходимом дополнительном оборудовании для обеспечения функционирования энергоустановки, на данный момент гидронный ХИТ является нераспространенным и непроработанным средством получения водорода для энергоустановки подводного аппарата.

Учитывая изложенное, считаем возможным излагать далее раскрытие сущности настоящего изобретения как оригинального и не имеющего аналогов.

Раскрытие сущности изобретения

Для энергоустановок подводных аппаратов очень важно обеспечить максимальную энергоемкость при заданных минимальных значениях массы и объема и при безусловном обеспечении пожаровзрывобезопасности, надежности и экологической чистоты. Чем больше располагаемая энергоемкость и чем меньше масса и объем энергоустановки, в значительной мере определяющие массу и объем подводного аппарата, тем большее время он может пребывать в подводном положении и большее расстояние пройти, не всплывая на поверхность, тем более вероятно успешное выполнение стоящей перед ним задачи. Общеизвестно, что от 2/3 до 3/4 массы и объема энергоустановок на топливных элементах составляют масса и объем системы хранения водорода. В связи с этим решение вопросов по их оптимизации, рассматриваемых в рамках настоящего изобретения, является особенно актуальным. Перед авторами настоящего изобретения стояла задача создать систему хранения водорода подводного аппарата с энергоустановкой на низкотемпературных топливных элементах, размещаемую в общем случае в кольцевом пространстве автономного энергоотсека подводного аппарата и обладающую максимальной энергоемкостью при нулевой плавучести.

Указанная задача решена посредством применения комбинированной системы хранения водорода энергетической установки на низкотемпературных топливных элементах для подводного аппарата, размещаемой в кольцевом пространстве автономного энергоотсека подводного аппарата в капсулах, рассчитанных на давление забортной воды. С целью обеспечения максимальной в заданных габаритах энергоемкости системы хранения водорода при нулевой плавучести этой системы, указанная система может быть выполнена в виде комбинации из, по меньшей мере, двух различных типов систем хранения водорода. Указанные системы хранения водорода различаются между собой положительной и отрицательной плавучестью и размещены в соответствующих капсулах, которые через редукционные устройства соединены с общим водородосборником комбинированной системы хранения.

Размеры капсул, в которых размещены составляющие комбинированной системы хранения, специально выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальное использование располагаемого объема автономного энергоотсека подводного аппарата.

Техническим результатом указанной комбинированной системы хранения водорода является обеспечение максимальной энергоемкости автономного энергоотсека подводного аппарата, а также его универсальности, т.е. возможности использования в сочетании с рядом носовых и кормовых отсеков различных по назначению подводных аппаратов.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показаны:

фиг. 1 схематическое изображение на виде в частичном разрезе автономного энергоотсека, кольцевое пространство которого подлежит заполнению капсулами выбранной системы хранения водорода (СХВ);

фиг. 2 схематическое изображение примера заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека, показанного на фиг. 1, капсулами баллонной системы хранения водорода (СХВБ); количество капсул с газообразным водородом (70 МПа, ∅ 375 мм, l=2060 мм) - 44 шт.;

фиг. 3 схематическое изображение примера заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека, показанного на фиг. 1, капсулами интерметаллидной системы хранения водорода (СХВИ); количество капсул с интерметаллидом (∅ 375 мм, l=3900 мм) - 11 шт.;

фиг. 4 схематическое изображение примера заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека, показанного на фиг. 1, капсулами комбинированной системы хранения водорода (СХВК), включающей в себя количество капсул с газообразным водородом (70 МПа, ∅ 375 мм, l=2060 мм) - 33 шт.; количество капсул с интерметаллидом (∅ 125 мм и ∅ 106 мм, l=6200 мм) - 11+11 шт.

фиг. 5 схематическое изображение на виде в частичном разрезе автономного энергоотсека, кольцевое пространство которого заполнено капсулами комбинированной системы хранения водорода с фиг. 4.

Осуществление изобретения

На фигуре 1 показано схематическое изображение на виде в частичном разрезе автономного энергоотсека, кольцевое пространство которого подлежит заполнению капсулами выбранной системы хранения водорода (СХВ). В заданном конкретном случае речь идет о кольцевом пространстве автономного энергоотсека, в центральной части которого в прочной рассчитанной на давление забортной воды цилиндрической капсуле с нулевой плавучестью (1) располагается собственно энергетическая установка на топливных элементах (2) со всеми обслуживающими ее системами (3) (включая систему хранения кислорода, систему термостатирования, системы преобразования электрического тока и управления и др.), за исключением системы хранения водорода, которую, как уже было сказано выше, надлежало разместить в кольцевом пространстве (4) автономного энергоотсека и также в прочных цилиндрических капсулах, рассчитанных на давление забортной воды.

При этом задан предельно допускаемый наружный диаметр кольцевого пространства и его длина, равная длине центральной капсулы, при обязательном условии обеспечения нулевой плавучести системы хранения водорода. Иными словами, масса всех капсул, рассчитанных на воздействие давления забортной воды, с размещенной внутри этих капсул системой хранения водорода, должна равняться массе, вытесняемой этими капсулами забортной воды.

Ниже рассмотрено использование двух конкретных систем хранения водорода для заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека, показанного на фиг. 1, а именно баллонной (СХВБ) и интерметаллидной (СХВИ) систем, а также на их комбинации (СХВК).

На фиг. 2 показан пример заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека капсулами баллонной системы хранения водорода (СХВБ), в которой количество капсул с газообразным водородом с давлением 70 МПа, диаметром 375 мм и длиной 2060 мм составляет 44 шт.

На фиг. 3 показан пример заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека капсулами интерметаллидной системы хранения водорода (СХВИ), в которой количество капсул с интерметаллидом с диаметром 375 мм и длиной 3900 мм составляет 11 шт.

На фиг. 4 показан частный пример заполнения кольцевого пространства автономного энергоотсека капсулами комбинированной системы хранения водорода (СХВК), в которой количество капсул с газообразным водородом с давлением 70 МПа, диаметром 375 мм и длиной 2060 мм составляет 33 шт.; а количество капсул с интерметаллидом представленных двумя диаметрами 125 мм и 106 мм и одной длиной 6200 мм составляет 11 и 11 штук, соответственно, т.е. всего 22 штуки. Капсулы с газообразным водородом расположены по кругу в три ряда, чтобы в зазорах между ними могли располагаться два типа капсул с интерметаллидом. Данный тип компоновки позволяет эффективнее использовать кольцевое пространство автономного энергоотсека.

В Таблице 1 для сравнения приведены массогабаритные характеристики указанных систем.

¹

Исходя из условия нулевой плавучести комбинированной системы хранения водорода, можно записать следующее:

Путем несложных преобразований получаем:

где G₁ - масса водорода в баллонной системе хранения, кг;

G₂ - масса водорода в интерметаллидной системе хранения, кг;

- удельная объемная водородоемкость баллонной системы хранения, кг/дм³;

- удельная массовая водородоемкость баллонной системы хранения, %;

- удельная объемная водородоемкость интерметаллидной системы хранения, кг/дм³;

- удельная массовая водородоемкость интерметаллидной системы 5 хранения, %;

ρ - плотность воды, кг/дм³.

Из представленных материалов видно, что комбинированная система хранения водорода при условии обеспечения нулевой плавучести существенно превосходит по массогабаритным показателям как баллонную, так и интерметаллидную систему хранения водорода, т.е. цели, поставленные при разработке настоящего изобретения, достигнуты, а именно - получена максимальная в заданных габаритах энергоемкость системы хранения водорода при ее нулевой плавучести

Таким образом можно констатировать, что техническим результатом 15 настоящего изобретения является достижение максимальной энергоемкости системы хранения (4) подводного аппарата при нулевой плавучести этой системы, что при условии нулевой плавучести капсулы (1) с энергетической установкой на топливных элементах (2) со всеми обслуживающими ее системами (3) обеспечивает универсальность автономного энергоотсека (фиг. 5).

Список использованной литературы

1 Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М: Энергоатомиздат, 1991.

2 Коровин Н.В. Электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов//Теплоэнергетика. 1994. №1. С. 22-24.

3 Шаманов Н. П., Калмыков А.Н. Электрохимические транспортные энергоустановки с водородным топливом: [монография] / Шаманов Н.П., Калмыков A.Н.; С.-Петербург, гос.морской технический ун-т.- СПб.: СПбМТУ, 2006. - 305 с.: ил. - Библиогр.: с. 295-305. - ISBN 5-88303-390-3.

4 Патент №2184408 С2 Российская Федерация, МПК H01M 8/06. Энергетическая установка подводного аппарата: №2000118914/09: заявл. 17.07.2000: опубл. 27.06.2002 / Ю.П. Семенов, Б.А. Соколов, С.А. Худяков [и др.]; заявитель Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. СП. Королева", Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин". - EDN PFKBJC.

5 Патент №2267836 С2 Российская Федерация, МПК H01M 8/06, B63G 8/08. Энергетическая установка подводного аппарата с электрохимическим генератором: №2003136942/09: заявл. 24.12.2003: опубл. 10.01.2006/О.А. Барсуков, И.Н. Глухих, B.И. Корольков [и др.]; заявитель Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. СП. Королева". - EDN TQEYJP.

6 Патент №2225805 С1 Российская Федерация, МПК В63Н 21/00, B63G 8/08, H01M 8/00. Энергоустановка плавательного средства: №2003100710/11: заявл. 08.01.2003: опубл. 20.03.2004 / И.Н. Глухих, А.Н. Старостин, В.Ф. Челяев; заявитель Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. СП. Королева". - EDN JCTTKW.

7 Патент на полезную модель №105528 U1 Российская Федерация, МПК Н01М 16/00. комбинированный источник тока: №2010152957/07: заявл. 24.12.2010: опубл. 10.06.2011 / Н.С. Окорокова, К.В. Пушкин, С.Д. Севрук, А.А. Фармаковская; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ). - EDN UZAIIT.

8 El-Shafie, Mostafa Ibrahim & Kambara, Shinji & Hayakawa, Yukio. (2019). Hydrogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering. 7. 107-154. 10.4236/jpee,2019.71007.

Изобретение относится к подводным судовым и корабельным энергетическим установкам, в частности к энергоустановкам на низкотемпературных топливных элементах. Комбинированная система хранения водорода включает в себя капсулы, выдерживающие давление забортной воды, выполненные с возможностью размещения в кольцевом пространстве автономного энергоотсека подводного аппарата. В капсулах размещены по меньшей мере два различных типа систем хранения водорода с положительной и отрицательной плавучестью, обеспечивающие нулевую плавучесть системы. Капсулы через редукционные устройства соединены с общим водородосборником комбинированной системы хранения. Техническим результатом является обеспечение максимальной энергоемкостью при нулевой плавучести. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Комбинированная система хранения водорода энергетической установки на низкотемпературных топливных элементах для подводного аппарата включает в себя капсулы, выдерживающие давление забортной воды, выполненные с возможностью размещения в кольцевом пространстве автономного энергоотсека подводного аппарата, отличающаяся тем, что в капсулах размещены по меньшей мере два различных типа систем хранения водорода с положительной и отрицательной плавучестью, обеспечивающие нулевую плавучесть системы, причем капсулы через редукционные устройства соединены с общим водородосборником комбинированной системы хранения.

2. Комбинированная система хранения водорода по п. 1, отличающаяся тем, что размеры капсул, в которых размещены составляющие комбинированной системы хранения выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальное использование располагаемого объема кольцевого пространства автономного энергоэнергоотсека подводного аппарата.