Энергоустановка подводного применения Советский патент 1993 года по МПК H01M8/04 

С/ С

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к электрохимическим генераторам (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) с гидрофильными пористыми электродами и жидким электролитом. Преимущественной областью использования данного предложения являются необслуживаемые электроустановки подводного применения, имеющие небольшую электрическую мощность (десятки и сотни ватт). Для обеспечения работоспособности указанных ЭХГ необходимо автоматически поддерживать рабочий перепад давлений на электродах ТЭ. Данная задача в ЭХГ наземного применения технически решается использованием регуляторов перепада давления, снижающих давление водорода и кислорода на выходе из системы хранения реагентов до рабочего давления в газовых камерах ТЭ и поддерживающих рабочее давление с требуемой точностью, и использованием устройства, задающего давление электролита ниже рабочего давления водорода и кислорода на величину рабочего перепада давления на электродах, например, электролитной емкости, соединенной по электролиту со всеми ТЭ батареи, а по газу с окружающей атмосферой.

Однако решение данной проблемы существенно усложняется в энергоустановках с ЭХГ подводного применения, когда окружающей средой является вода с переменным давлением вследствие изменения глубины (погружение, подъем) или волнений поверхности, воды. Известны энергоустановки подводного применения с водородно-кислородными ЭХГ, в которых ЭХГ размещен внутри прочного герметичного корпуса, а емкости для хранения реагентов находятся вне указанного корпуса.

В связи с тем что внутри герметичного корпуса сохраняется атмосферное давление, рабочее давление реагентов в батарее ТЭ поддерживается обычным способом посредством регуляторов перепада давления. Однако использование герметичного корпуса вызывает необходимость поддержания постоянного давления газа внутри корпуса из-за наличия газовыделения из ЭХГ и поступления внутрь корпуса продувочных газов, Поэтому внутри корпуса размещена специальная система дожигания водорода, конструкцией которой и отличаются указанные энергоустановки. Основным недостатком данных энергоустановок является низкая удельная масса из-за прочного и тяжелого корпуса. Кроме toro, наличие системы дожигйиия водорода значительно ycno.v,ii4,-;v iiHorifoycrsHOBKy, что негфиемлеМО для необслуживаемых энергоустановок, имеющих небольшую электрическую мощность.

Указанных недостатков лишены энергоустановки разгруженного типа, в которых ЭХГ размещен в разгруженном корпусе, т.е. давление среды внутри корпуса близко к давлению окружающей воды. Это позволяет использовать легкий корпус, а продувочные

0 газы удалять непосредственно в окружающую воду.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к изобретению является энерго5 установка подводного применения, состоящая из системы хранения и подачи водорода и кислорода с регуляторами пере- пада давления газа, электрохимического генератора, помещенного в заполненный

0 газом герметичный корпус с клапаном сброса газа, содержащего батарею топливных элементов с гидрофильными пористыми электродами, соединенную входными трубопроводами с регуляторами перепада дав5 ления, продувочные агрегаты и емкость электролита.

Для разгрузки корпуса используется азот, который с помощью регулятора давления подается внутрь корпуса с ieбoльшим

0 избыточным давлением по отношению к давлению окружающей воды. При подъеме энергоустанооки избыточное давление азота стравливается посредством клапана сброса. Рабочее давление водорода и кисло5 рода поддерживается соответствующими регуляторами давления, при этом их опорным давлением является давление азота внутри корпуса. При подъеме энергоустановки, когда разность давлений на эпектро0 дах превышает рабочую, реагенты проходят через пористые электроды в электролит, попадают в электролитную емкость, затем внутрь корпуса и далее через клапан сброса газа в окружающую воду.

5 Однако данная энергоустановка имеет ряд существенных недостатков. Необходимость использования тяжелых баллонов для хранения азота ухудшает удельные характеристики энергоустановки, тем более что для

0 заполнения внутренней полости герметичного корпуса необходимо значительное количество азота. Сброс реагентов через пористые .электроды при превышении рабочего перепада давлений на электродах сни5 жает надежность работы энергоустановки, поскольку наличие еодородно-кислородной смеси представляет значительную опасность вследствие возможности возникновения пожара или взрыва, а при пробулькивании газов через электроды может

нарушиться замочка электродов. Кроме того, в этом случае электроды подвергаются воздействию значительных механических нагрузок, которые могут привести к их повреждению.

Цель изобретения - повышение удель ных характеристик и надежности работы энергоустановки.

11ель достигается тем, что в известной энергоустановке подводного применения, состоящей из системы хранения и подачи водорода и кислорода с регуляторами перепада давления газа, электрохимического ге нератора, помещенного в заполненный газом герметичный корпус с toianaHOMсброса газа, содержащего батарею топливных элементов с гидрофильными пористыми электродами, соединенную входными трубопроводами с регуляторами перепада Давления, продувочные агрегаты и ёмкость электролита, в качестве заполняющего газа взят водород, которым заполнен корпус до верхнего уровня батареи топливных элементов, остальная часть корпуса заполнена диэлектрической жидкостью, клапан сброса вО/ орода устанйвяен на одном уров не с регуляторами перепада давления, входной трубопровод водорода соединен с обратным клапаном, расположенными внутри герметичного корпуса, и через запорно-регулирующее устройство - с емкостью электролита, е 4кость электролита соединена трубопроводом с обратным клапаном сброса водорода, установленным вы ше регуляторов перепада давления, причем обратный клапан сброса водорода установлен выше генератора, а входной трубопровод кислорода соединен с обратным клапаном сброса кислордда, установленным на одном уровне с регуляторами перапада давления.

Использование водорода в качестве заполняющего газа позволяет умен ьшить массу энергоустановки за счет упразднения системы хранения азота. Дополнительный выигрыш достигается благодаря частичному заполнению внутренней полости корпуса дииэлектрической жидкостью, вследствие чего значительно уменьшается объем, заполняемый водородом. Это позволяет свести к минимуму расход водорода, необходимый для разгрузки корпуса при погружении и подъеме энергоустановки. Дополнительным эффектом от использования диэлектрической жидкостн является повышение надежности работы энергоустановки благодаря предотвращению искрообразования между элементами конструкции батареи ТЭ и сооздание более лучших условий для отвода тепла от батареи ТЭ теплопроводностью через жидкость. Последнее обстоятельство имеет особенно большое значение для необслуживаемых энергоустановок небольшой мощности, в кото5 рых отсутствует специальная система термостатироаания, а образующееся тепло рассеивается в окружающую среду. Соединением входного трубопровода водорода с обратным клапаном, расположенным внут0 ри герметичного корпуса, и установкой клапана сброса водорода на одном уровне с регуляторами перепада давления достигается практически полная разгрузка корпуса, а также поддержание абсолютного давле5 ния водорода на входе в батарею ТЭ пропорционально глубине погружения энергоустановки. Поддержание рабочего перепада давления на электродах обеспечивается соединением входного трубопрово0 да водорода через запорнр-регулирующее устройство с емкостью электролита (благодаря подаче водорода в емкость при погружении) и соединением емкости электролита с обратным клапаном сброса водорода(бла5 годаря выпуску водорода из емкости при подъеме энергоустановки), причем отношение высоты установки обратного клапана сброса водорода . к высоте генератора п редпочтительно составляет 1 -6. Нижняя

0 граница указанного отношения высот определяется из условия сохранения капиллярного равновесия в нижних участках пористых Электродов, когда снижение давления газа в электролитной емкости ком5 пeнcиpyet давление электролитного столба, высота которого равна высоте генератора (высота ТЭ плюс высота емкости электролита), а в общем случае обратный клапан сброса водорода установлен выше генератора.

0 При плотности электролита, близкой к Плотности воды, что имеет место в необслуживаемых энергоустановках, минимальное отношение высоты установки клапана сброса водорода к высоте генератора равно еди5 нице. Верхняя граница указанного отношения определяется величиной рабомего перепада давлений на электродах. В связи с тем, что в необслуживаемых энергоустановках рабочий перепад давлений на

0 эл(гктродах не превышает 30 кПа, а высота генератора составляет около 0,5 м, то максимальная величина отношения указанных высот равна 6. В качестве запорно-регулирующего устройства может служить, на5 пример, дифференциальный клапан, открывающийся при перепаде давлений на электродах, превышающем рабочее, и закрывающийся при перепаде давлений, меньшем рабочего, или погруженная в электролит пористая пластина с критическим пе7 11221878

репадом давлений, превышающим рабочий.щего погружения. Реагенты из системы храДля поддержания абсолютного давлениянения и подачи водорода 1 и кислорода 3 кислорода на входе в батарею ТЭ пропорци-поступают в регуляторы перепада давления онально глубине погружения энергоуста-2 и 4, из которых они направляются в батановки. входной трубопровод кислорода5 реюТЭ 10 при абсолютном давлении, осотсоединен с обратным клапаном сброса кис-ветствующем заданной глубине. Давление Лорода, установленным на одном уровне сводорода внутри корпуса 5 также равно даврегуляторамй лерепада давления.лению водорода на выходе из регулятора На чертеже представлена принципи-перепада давления 2. Давление водорода а альная пневмогидравлическая схема10 емкости злектролита 19 меньше давления предлагаемой знергрустаноаки. Энерго-водорода на входе в батарею ТЭ 10 на млиустановка состоит из системы хранения ичину перепада давлений дифферен1(иального подачи водорода 1 с регулятором перепа-клапана 24(например, ЗОкПа). Обратный клада давления 2, системы хранения и подачипан сброса водорода 28 закрыт, поскольку кислорода 3 с регулятором перепада Дав-15 он установлен на высоте, соответствукмцей ления 4 и ЭКГ. размещенного в герметич-рабочему перепаду давлений на злектродах, ном корпусе 5; верхняя часть 6 внутреннейравному, например, 25 кПа. Таким образом, полости корпуса 5 Щ9пол в 8 водородом до.достигается разгрузка корпуса 5 и поддерверхнего уровня батареи Ti3, остальнаяжание необходимого абсолютного давления часть корпуса заполнена дизлектрической20 реагентов на входе в батарею ТЭ 10 ирабожидкостью 7. В качАстае дизлёктрическойчего перепада давлений на злектродах. В ЖИДК0СТ1 может быть использована, напри-процессе работы батарей ТЭ на нагрузку мерг1фс|мнийорганйчвская жидкость. Верх-удаление инертных примесей осуществлянял часть Kojpinyca5соединена посредствомется««звестнымспособомспомощьюпродутрубопровода 8 с клапаном сброса водоро 25 вочных устройств 15 и 16 в окружающую да 9, установленным на одной уровне с ре-среду, охлаждение батареи ТЭ - посредст гулятерами перепада давления 2 и 4.вом теплопередачи через дизлектрическую Батарея ТЭ 10 соединена трубопроводамижидкость к корпусу и далее в окружающую 11 и 12 с регуляторами перепада давленияводу. В случае отсутствия специальной сис2 и 4, а трубопроводами 13 я 14-с продув30 темы удаления воды, когда образующаяся вочиыми агрегатами 15 и 16. Продувочныевода разбавляет злектролит, уровень злектгазы удаляются в окружающую воду по тру ролита увеличивается, давление водорода в проводам 17 и 16. Ёмкость электролита 19емкости 19 возрастает, и при достижении бобдинеиа с батареей ТЭ 10поалектролитуперепада давлений на электродах, равнотрубопроводомЗО Входной трубопровод 1135 го 25 кш, избыток водорода стравливаетСоеда1нен трубопроводам 21 и 22 соответ-ся через обратный клапан сброса CtaieniHO с обратным клапаном 23, ра поло водорода 28.

женным в верхней части герметичногоПри погружении энергоустановки регукорпуса 5, и с емкостью электролита 19 че-ляторы перепада давления 2 и 4 увеличивареа запорн0-регул |рующёе устройство, в40 ют абсолютное давление реагентов на входе качестве которогона схеме показан диффе-в батарею ТЭ 10 в соответствии с изменениренциальный клапан 24, Если запорно-регу-ем глубины, при этом также возрастает к пирующим устройством служит пористаядавление водорода внутри корпуса 5. Пере пластина, то она помеицается в отличие отпад давлений на электродах поддерживаетдифференциального клапана в электролите45 ся равным 30 кПа автоматически с помощью 25 емкости 19, Газовая полость 26 емкостизапорно-регулирующего устройства (да|ф19 ектролита соединена трубопровЬдомференциального клапана) 24. При подьеме 27 с обратным клапаном сброса водородаэнергоустановки избыток водорода из тру28, установленным над регуляторами пере-бопровода 11 сбрасывается через обратный пада давления 2 и 4 на высоте Н, причем50 клапан 23 в газовую полость 6 корпуса 5. а отношение высоты установки клапана 28 Низ нее в окружающую воду через клапан к высоте генератора составляет преимуще-сброса водорода 9; избыток кислорода из ственно 1-6. Входной трубопровод кисло-трубопровода 12 стравливается через оброда 12 соединен трубопроводом 29 сратный клапан сброса кислорода 30. Избыобратным клапаном сброса кислорода 30,55 ток водорода из емкости злектролита 19 установленным на одном уровне с регулято- сбрасывается в окружающую воду через обрами перепада давления 2 и 4.ратный кл{апан сброса водорода при давлеЭнергрустановка работает следующим нии, меньшем давления водорода на входе образом. Пусть энергоустановка находится в батарею ТЭ на величину рабочего перепана заданной глубине после предшествую- да давлений на электродах (в данном случае

25 кПа). При работе энергоустановки на небольшой глубине волнение поверхности воды воздействует аналогично периодическому погружению и подъему.

Предлагаемая энергоустановка обеспечивает по сравнению с базовым объектом, в качестве которого использован прототип, повышение удельных характеристик и надежности работы. Удельные характеристики предлагаемой энергоустановки выше за счёт управления системы хранения азота и уменьшения объема заполняемой водородом внутренней полости корпуса, В связи с тем что масса системы хранения азота значительна (в прототипе масса ЭХГ составляет 15-20 кг, масса баллонов с реагентами 50 кг, масса азотных баллонов 20-25 кг), удельная мощность и удельная энергоемкость предлагаемой энергоустановки увеличиваются на 20-25%. Надежность работы предлагаемой энергоустановки повышается за счет заполнения корпуса диэлектрической жидФормула изобретения

ЭНЕРГОУСТАНОВКА ПОДВОДНОГО ПРИМЕНЕНИЯ, состоящая из системы хранения и подачи водорода и кислорода с регуляторами перепада давления газа электрохимического генератора, помещенного в заполненный газом герметичный корпус с клапаном сброса газа, содержащего батарею топливных элементов с гидрофильными пористыми электродами, соединенную входными трубопроводами с регуляторами перепада давления, продувочные агрегаты и емкость электролита, отличающаяся тем, что, с целью повышения удельных характеристик и надежности работы, в качестве заполняющего газа взят водород, которым заполнен корпус до верхнего уровня батареи топливных элёкостью и использования запорно-ре улирующего устройства для сбрасывания водорода. Диэлектрическая жидкость препятствует искрообразованию между злементами конструкции батареи ТЭ. Сброс избытка водорода через запорно-регулирующее устройство в отличие от прототипа не приводит к образованию взрывоопасной водородно-кислородной смеси, сохраняет замочку электродов, обеспечивая работу электродов при практически постоянных механических условиях (рабочий перепа,. давлений на электродах изменяется от 25 до 30 кПа, в то время как в прототипе он изменяется от О при нарушении замочки электродов до критического перепада).

(56) Патент США № 3664873, 13686,1972.

GHIibrand M.I., Gray I., Twentyman F. Fuel Battery for under Water operation Power Sources, 1976, Prep. Pap. s.a. IXh 23. 11 p.p.. III.

„с ментов, а остальная часть корпуса запол-нена диэлектрической жидкостью, клапан сброса водорода установлен на одном уровне с регуляторами перепада давления, входной трубопровод водорода соединен с

3Q обратным клапаном, расположенным внутри герметичного корпуса, и через запорно - регулирующее устройство - с емкостью электролита, емкость электролита соединена трубопроводом с обратным клапаном

35 сброса водорода, установленным выше регуляторов перепада давления, причем обратный клапан сброса водорода установлен выше генератора, а выходной тру. бопровод кислорода соединен с обратным

40 клапаном сброса кислорода, установленным на одном уровне с регуляторами перепада давления.

И,

-Н

.6 8

2

7