устройство для эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем и способ эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем

Формула изобретения

1. Устройство для эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем, содержащее электрохимический генератор с магистралями подачи кислорода и водорода, магистраль продувки кислорода, магистраль продувки водорода, соединенную с дожигателем, емкость сбора воды, соединенную с электрохимическим генератором, отличающееся тем, что устройство заключено в герметичный корпус, емкость которого заполнена инертным газом, дожигатель выполнен в виде реактора с платиносодержащим катализатором, кроме того, в устройство введены ресивер и смеситель, последовательно установленные на магистрали продувки водорода из электрохимического генератора, баллон высокого давления с клапаном, соединенный с емкостью герметичного корпуса, вентилятор, газожидкостный теплообменник, которые вместе с дожигателем соединены замкнутым контуром, снабженным газоанализатором водорода, а магистраль подачи кислорода и водорода снабжены кожухами, соединенными с емкостью герметичного корпуса, при этом емкость сбора воды соединена пневмомагистралью с установленным в этой магистрали вентилятором, с емкостью герметичного корпуса.

2. Способ эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем, включающий периодическую продувку электрохимического генератора водородом и кислородом и подачу водорода в водородную полость дожигателя, отличающийся тем, что кислород подают в герметичный корпус, емкость которого заполнена инертным газом, затем в герметичный корпус добавляют водород в количестве 1-2% от объема этого корпуса и прокачивают полученную смесь через дожигатель до тех пор, пока концентрация водорода в этой смеси не понизится до 0,1% от объема герметичного корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области источников питания постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, работающих на водороде и кислороде со щелочными или кислыми электролитами.

Известны устройство для эксплуатации электрохимического генератора (ЭХГ), содержащее электрохимический генератор с магистралями подачи кислорода и водорода и магистралями продувки водорода и кислорода [1], и способ эксплуатации электрохимического генератора [1] , включающий периодическую продувку электрохимического генератора водородом и кислородом и сброс компонентов в окружающую среду.

Недостатком аналога устройства ЭХГ и способа его эксплуатации является повышенная взрывоопасность, связанная с большой вероятностью смешения водорода и кислорода в окружающей среде и последующего в результате этого пожара или взрыва.

Наиболее близким по своей сущности является устройство, принятое за прототип [2] и содержащее электрохимический генератор с дожигателем с магистралями подачи кислорода и водорода, магистраль продувки водорода, соединенную с дожигателем, емкость сбора воды, соединенную магистралью с электрохимическим генератором.

Способ эксплуатации такого типа электрохимического генератора, принятый за прототип [2] , включает периодическую продувку электрохимического генератора водородом и кислородом и подачу водорода в водородную полость дожигателя.

В этом способе с целью повышения безопасности эксплуатации водород и кислород подают в дожигатель, выполненный в виде топливного элемента. В топливном элементе-дожигателе соединяют кислород и водород и получают электричество и воду.

Недостатком прототипа-устройства для эксплуатации ЭХГ с дожигателем и способа его эксплуатации является то, что эксплуатация до конца не исключает возникновение пожароопасной ситуации. Это связано с тем, что, во-первых, при подаче водорода и кислорода в топливный элемент-дожигатель за счет разности давлений может произойти разрыв топливного элемента, что может привести к возникновению взрывоопасной концентрации водорода и кислорода в дожигателе и, как следствие, ко взрыву этой смеси.

Для нормальной работы дожигателя требуется тоже продувка. Во-вторых, необходимо учесть, что сам корпус электрохимического генератора и трубопроводы подачи водорода и кислорода не могут обеспечить абсолютную герметичность. Поэтому в процессе эксплуатации обязательно какое-то количество водорода и кислорода будет выделяться как из трубопроводов подачи компонентов, так и из корпуса электрохимического генератора. Кроме того, какое-то количество водорода выделяется из продукта реакции - воды, поступающей из электрохимического генератора.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание такого устройства для эксплуатации электрохимического генератора и способа его эксплуатации, при котором исключалась бы пожаровзрывоопасная ситуация, что значительно продлило бы срок службы и повысило надежность эксплуатации электрохимического генератора.

Технический результат решения поставленной задачи - создание устройства эксплуатации электрохимического генератора и способа его эксплуатации, при котором исключается возникновение пожаровзрывоопасной концентрации водорода и кислорода не только при продувках, но и при любой потере герметичности в магистралях, а также при сбросе продуктов реакции.

Решить поставленную задачу можно созданием такого устройства для эксплуатации ЭХГ и способа его эксплуатации, при котором как весь агрегат с арматурой и магистралями, а также емкость для сбора воды продувают таким образом, что исключают концентрацию водорода, соответствующую низкому порогу взрываемости, превышающую 3% по объему. Это исключает создание взрывоопасной ситуации, и при этом сам процесс дожигания происходит при температурах, не превышающих 200^oС.

Задача решается совокупностью всех существующих признаков.

Устройство для эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем содержит электрохимический генератор с магистралями подачи кислорода и водорода, магистраль продувки кислорода, магистраль продувки водорода, соединенную с дожигателем, емкость сбора воды, соединенную магистралью с электрохимическим генератором. Устройство заключено в герметичный корпус, емкость которого заполнена инертным газом, дожигатель выполнен в виде реактора с платиносодержащим катализатором. Кроме того, в устройство введены ресивер и смеситель, последовательно установленные на магистрали продувки водорода из электрохимического генератора, баллон высокого давления с клапаном, соединенный с герметичным корпусом, вентилятор, газожидкостный теплообменник, которые вместе с дожигателем соединены замкнутым контуром, снабженным газоанализатором водорода, а магистрали подачи кислорода и водорода снабжены кожухами, соединенными с емкостью герметичного корпуса. При этом емкость сбора воды соединена пневмомагистралью с установленным в этой магистрали вентилятором с объемом герметичного корпуса.

Способ эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем включает периодическую продувку электрохимического генератора водородом и кислородом и подачу водорода в водородную полость дожигателя. Кислород подают в замкнутую емкость герметичного корпуса, заполненную инертным газом, затем в емкость герметичного корпуса добавляют водород в количестве 1-2% от объема этой емкости и прокачивают полученную смесь через дожигатель до тех пор, пока концентрация водорода в этой смеси не понизится до 0,1% от объема герметичной емкости.

В предлагаемом устройстве для эксплуатации электрохимического генератора и способе его эксплуатации положительный эффект достигается тем, что все утечки как водорода, так и кислорода (потеря герметичности, газовыделение из продукта реакции - воды, продувки) тщательно перемешиваются в отдельном герметичном объеме таким образом, что исключается образование смеси, превышающей 3% содержания водорода во всем объеме, и эта смесь дожигается в реакторе с платиносодержащим катализатором. Это позволяет исключить повышение температуры при горении свыше 200^oС, т.е. абсолютно исключает пламя.

На чертеже представлена схема устройства, содержащего герметичный корпус 1, к которому подстыкован баллон 2 через клапан 3. В герметичном объеме корпуса размещены все агрегаты, включая электрохимический генератор 4 с трубопроводами подачи кислорода 5 и водорода 6, а также с трубопроводами продувки кислорода 7 и водорода 8 и сбора воды 9. Трубопровод продувки водорода 8 подсоединен через ресивер 10 с клапаном 11 к смесителю 12. Вентиляторы 13 и 14 также подсоединены к смесителю 12, который через пористую перегородку 15 соединяется с дожигателем 16, к которому подстыкован теплообменник 17. Теплообменник 17 соединен трубопроводом с емкостью сброса воды 18, а также магистралью 19 входа теплоносителя и магистралью 20 выхода теплоносителя.

На корпусе установлены газоанализатор по водороду 21 и газоанализатор по кислороду 22.

Способ реализуют предложенным устройством следующим образом: емкость герметичного корпуса 1 наддувают инертным газом, например азотом, из баллона 2 через обратный клапан 3, что гарантирует от случайного образования пожаровзрывоопасной смеси.

После этого в ЭХГ 4 по трубопроводу 5 подают кислород, а по трубопроводу 6 подают водород. В ЭХГ происходит соединение водорода с кислородом с получением электричества. Периодически, с целью очистки топливных элементов от накопившихся примесей производят продувку кислорода по трубопроводу 7 и водорода по трубопроводу 8, а также сброс воды как продукта реакции в емкость 18. Кислород сбрасывают в емкость герметичного корпуса 1, а водород через ресивер 10 и клапан 11 подают в смеситель 12, куда поступает газ из всей емкости с помощью вентиляторов 13 и 14. Газовая смесь через пористую перегородку 15 поступает в дожигатель, выполненный в виде реактора с платиносодержащим катализатором, где происходит каталитическое сжигание водорода в атмосфере кислорода и азота. При этом содержание водорода в газовой смеси, поступающей в дожигатель, не превышает 3%. Это достигается за счет соотношения количества водорода, поступающего от продувок по трубопроводу 8, и производительности вентиляторов 13 и 14, нагнетающих кислородно-азотную смесь из емкости корпуса. Газовая смесь с парами воды после дожигателя охлаждается в газожидкостном теплообменника 17 за счет прокачки теплоносителя по магистралям 19 и 20. Вода, сконденсированная в теплообменнике, поступает в емкость сброса воды 18. Содержание водорода в герметичной емкости корпуса контролируют газоанализатором 21, а кислорода - газоанализатором 22.

При достижении содержания водорода в газовой смеси менее 0,1% вентиляторы выключаются. При повторении продувки водорода и кислорода в ЭХГ включают вентиляторы и операции повторяют.

Таким образом, предложенным устройством для эксплуатации электрохимического генератора и способом его эксплуатации решается поставленная задача исключения пожаровзрывоопасной ситуации.

Список используемых источников

1. Н. В. Коровин "Электрохимические генераторы." Москва, Энергия, стр. 107.

2. Патент 1598789, SU, H 01 M 8/06.