Энергоустановка на основе водородного топливного элемента с системой эксплуатационной безопасности Российский патент 2025 года по МПК H01M8/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для прогнозирования и препятствия возникновения аварийных ситуаций, предотвращения развития и минимизации последствий аварийных ситуаций при эксплуатации энергоустановок на основе водородных топливных элементов в системах электроснабжения стационарных потребителей.

В группе аналогов известны энергоустановки, использующие в качестве источника энергии водород (например, патент RU 2345447 «Энергоустановка на основе топливных элементов и способ управления энергоустановкой», МПК H01M8/04, H01M16/00, опубл. 27.01.2009 г.; патент RU 2351040 «Автономный источник питания на топливных элементах», МПК H01M8/00, H01M16/00, опубл. 27.03.2009 г.; патент RU 2646530 «Портативный водородный источник электропитания», МПК H01M8/04, H01M16/00, опубл. 06.03.2018 г.). Рассмотренные аналоги характеризуются отсутствием комплексного подхода к организации системы эксплуатационной безопасности на основе сочетания средств пассивной и активной безопасности, повышающего уровень безопасности при эксплуатации энергоустановки и обеспечивающего возможность прогнозирования утечки водорода для предотвращения возникновения аварийных ситуаций.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является «Портативный водородный источник электропитания» (патент RU 2646530, МПК H01M8/04, H01M16/00, опубл. 06.03.2018 г.). В документе приведена функциональная схема портативного водородного источника электропитания, содержащая корпус с батареей топливных элементов с заменяемым источником газообразного водорода. Корпус имеет модульную структуру с возможностью замены отдельных модулей для изменения габаритно-весовых, мощностных характеристик или энергоёмкости конечного устройства, и содержит водородную газовую линию с разъёмным магнитным или резьбовым соединением и клапаном продувки анодной области, а также содержит управляющую и регулирующую режим работы электронику. Известное изобретение является удобным и высокоэффективным автономным источником электропитания портативных устройств. В описании изобретения упоминается возможность использования следующих элементов, которые могут быть отнесены к средствам безопасности: редуктор давления, электромеханический клапан, датчик давления водородной линии, датчик утечки водорода. Однако использованное сочетание компонентов не обеспечивает в автоматическом режиме мгновенное реагирование на возникновение аварийных ситуаций, не способствует уменьшению их разрушительных последствий, а также ограничивает возможности по предотвращению возникновения аварийных ситуаций. Таким образом, недостатком данного изобретения является высокие риски развития аварийных ситуаций вследствие возникновения утечек водорода при эксплуатации источника питания.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка энергоустановки на основе водородного топливного элемента с системой эксплуатационной безопасности, позволяющей прогнозировать и препятствовать возникновению аварийных ситуаций, предотвращать развитие и минимизировать последствия аварийных ситуаций при эксплуатации.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанная энергоустановка на основе водородного топливного элемента с системой эксплуатационной безопасности так же, как и энергоустановка-прототип содержит корпус с размещенными в нем блоком хранения водорода, топливной магистралью, топливным элементом, блоком управления, при этом система эксплуатационной безопасности включает в себя регулятор давления, датчик давления, датчик температуры, датчик концентрации водорода, передающие информацию в блок управления, а также защитный электромагнитный клапан и запорный вентиль. Новым является то, что корпус представляет собой огнезащитный металлический шкаф, разделенный на отсеки перегородками из толстолистовой стали со встроенными противопожарными панелями из изолирующего материала, с наличием защитного заземления, при этом система эксплуатационной безопасности дополнительно содержит автономное устройство пожаротушения, противопожарную вентиляционную решетку на корпусе энергоустановки, расположенный на входе топливной магистрали огнепреградительный клапан и установленный на выходе топливной магистрали регулятор расхода газа, передающий информацию в блок управления, при этом блок управления имеет возможность подачи сигнала на защитный электромагнитный клапан, прекращающий подачу водорода, что приводит к отключению топливного элемента.

Изобретение поясняется следующей фиг. 1.

На фиг. 1 представлена структурная схема разработанной энергоустановки на основе водородного топливного элемента с системой эксплуатационной безопасности.

Разработанная энергоустановка содержит корпус с размещенными в нем блоком хранения водорода 1, топливной магистралью 2, топливным элементом 3, блоком управления 4. Корпус представляет собой огнезащитный металлический шкаф, разделенный на отсеки перегородками из толстолистовой стали со встроенными противопожарными панелями из изолирующего материала, с наличием защитного заземления. При этом система эксплуатационной безопасности включает в себя регулятор давления 5, датчик давления 6, датчик температуры 7, датчик концентрации водорода 8, расположенный на входе топливной магистрали 2 огнепреградительный клапан 9 и установленный на выходе топливной магистрали 2 регулятор расхода газа 10, передающие информацию в блок управления 4, а также защитный электромагнитный клапан 11 и запорный вентиль 12. Также система эксплуатационной безопасности содержит автономное устройство пожаротушения 13 и противопожарную вентиляционную решетку 14, которая вмонтирована в корпус энергоустановки. При этом блок управления 4 имеет возможность подачи сигнала на защитный электромагнитный клапан 11, прекращающий подачу водорода, что приводит к отключению топливного элемента 3. Топливный элемент 3 связан с потребителем электроэнергии - электрической нагрузкой 15.

Принципы обеспечения безопасности при эксплуатации разработанной энергоустановки на основе водородного топливного элемента заключаются в следующем.

С помощью запорного вентиля 12 осуществляется ручное управление подачей водорода от источника. Давление поступающего водорода определяется датчиком давления 6, затем перед входом в топливную магистраль 2 происходит снижение давления до требуемого значения с помощью регулятора давления 5, оснащенного предохранительным клапаном, срабатывающим в случае возникновения опасно высокого давления.

Топливная магистраль 2 начинается с огнепреградительного клапана 9, предотвращающего прохождение пламени, искр и огня через трубопровод в резервуар с водородом. Далее расположен защитный электромагнитный клапан 11, срабатывающий в случае предаварийной и аварийной ситуации. Топливная магистраль 2 заканчивается регулятором расхода газа 10, с помощью которого кроме управления скоростью потока определяется количество проходящего через него водорода.

В топливном элементе 3 из поступившего водорода вырабатывается электрическая энергия, блок 3 связан с потребителем электроэнергии - электрической нагрузкой 15.

Обособлено расположены датчик температуры 7, датчик концентрации водорода 8, автономное устройство пожаротущения 13, срабатывающее в случае возгорания. В корпусе энергоустановки вмонтирована противопожарная вентиляционная решетка 14, материал которой при повышении температуры свыше 160 С термически расширяется, увеличиваясь в объеме, что приводит к перекрытию потока воздуха в вентиляционных отверстиях.

Блок управления 4 представляет собой контроллер, необходимый для управления энергоустановкой, который получает информацию со всех датчиков, в случае аварийной ситуации подает сигнал на перекрытие защитного электромагнитного клапана 11, прекращая подачу водорода, что приводит к отключению топливного элемента 3. Причиной отключения может являться повышенная температура, недопустимое давление водорода, срабатывание датчика концентрации водорода 8. Также контроллер определяет через датчик давления 6 и датчик температуры 7 количество проходящего газа в единицу времени в топливную магистраль 2 и сравнивает с данными регулятора расхода газа 10 в конце магистрали 2. В случае расхождении этих значений (что сигнализирует об утечке водорода) происходит отключение энергоустановки, дублируя функции датчика концентрации водорода 8.

Сравнение заявленного решения с другими известными изобретениями в данной области техники показало, что оно отличается от последних сочетанием пассивных и активных средств безопасности, обеспечивающих выполнение принципов избыточности, разнородности и дублирования; возможностью прогнозирования утечки водорода путем сравнения значения прошедшего через топливную магистраль 2 объема водорода, рассчитанного на основе данных датчика давления 6 и датчика температуры 7 со значением, установленным регулятором расхода газа 10.

Таким образом, разработанная энергоустановка на основе водородного топливного элемента, состоящая из блока хранения водорода, топливного элемента, блока управления, топливной магистрали размещается в огнезащитном металлическом шкафу, разделенном на отсеки перегородками из толстолистовой стали с встроенными противопожарными панелями из изолирующего материала, с наличием защитного заземления и дополняется пассивными и активными средствами безопасности. Пассивные средства безопасности (автономное устройство пожаротушения, огнепреградительный клапан, запорный вентиль, противопожарная вентиляционная решетка) не имеют информационной связи с блоком управления. К активным средствам безопасности относятся:

- устройства измерения и контроля (регулятор расхода газа, датчик давления водорода, датчик концентрации водорода, датчик температуры), выполняющие измерения соответствующих параметров (объем потребленного водорода, давление водорода, концентрация водорода, температура) и передающие информацию о параметрах в блок управления;

- блок управления, состоящий из программируемого логического контроллера и устройств дискретного и аналогового ввода/вывода, обрабатывающий с помощью разработанных алгоритмов информацию в режиме реального времени и, в случае прогнозирования или возникновения аварийных ситуаций, формирующий управляющие команды, передаваемые посредством информационных связей на исполнительное устройство;

- исполнительное устройства (защитный электромагнитный клапан), перекрывающее подачу водорода и вызывающее автоматическое отключение топливного элемента.

Изобретение относится к энергоустановке на основе водородного топливного элемента с системой эксплуатационной безопасности. Установка содержит корпус с размещенными в нем блоком хранения водорода, топливной магистралью, топливным элементом, блоком управления. Система эксплуатационной безопасности содержит регулятор давления, датчик давления, датчик температуры, датчик концентрации водорода, передающие информацию в блок управления, а также защитный электромагнитный клапан и запорный вентиль. Причем корпус представляет собой огнезащитный металлический шкаф, разделенный на отсеки перегородками из толстолистовой стали со встроенными противопожарными панелями из изолирующего материала, с наличием защитного заземления. Кроме того, система эксплуатационной безопасности дополнительно содержит автономное устройство пожаротушения, противопожарную вентиляционную решетку на корпусе энергоустановки, расположенный на входе топливной магистрали огнепреградительный клапан и установленный на выходе топливной магистрали регулятор расхода газа, передающий информацию в блок управления. Блок управления имеет возможность подачи сигнала на защитный электромагнитный клапан, прекращающий подачу водорода, приводящую к отключению топливного элемента. Техническим результатом является повышение безопасности эксплуатации энергоустановки на основе водородных топливных элементов. 1 ил.

Энергоустановка на основе водородного топливного элемента с системой эксплуатационной безопасности, содержащая корпус с размещенными в нем блоком хранения водорода, топливной магистралью, топливным элементом, блоком управления, при этом система эксплуатационной безопасности включает в себя регулятор давления, датчик давления, датчик температуры, датчик концентрации водорода, передающие информацию в блок управления, а также защитный электромагнитный клапан и запорный вентиль, отличающаяся тем, что корпус представляет собой огнезащитный металлический шкаф, разделенный на отсеки перегородками из толстолистовой стали со встроенными противопожарными панелями из изолирующего материала, с наличием защитного заземления, при этом система эксплуатационной безопасности дополнительно содержит автономное устройство пожаротушения, противопожарную вентиляционную решетку на корпусе энергоустановки, расположенный на входе топливной магистрали огнепреградительный клапан и установленный на выходе топливной магистрали регулятор расхода газа, передающий информацию в блок управления, при этом блок управления имеет возможность подачи сигнала на защитный электромагнитный клапан, прекращающий подачу водорода, приводящую к отключению топливного элемента.