энергоустановка плавательного средства

Формула изобретения

Энергоустановка плавательного средства, содержащая резервуары хранения метанола и воды, паровой риформер, блок разделения газов с магистралью сброса углекислого газа, электрохимический генератор с входом по водороду и кислороду, магистралью сброса тепла и магистралью сброса паров воды, отличающаяся тем, что в нее введены газовый теплообменник, насос, вентилятор, регулятор расхода паров метанола, регулятор расхода водяного пара и резервуар хранения воды, при этом паровой риформер соединен через газовый теплообменник с блоком разделения газов, выход которого подключен ко входу по водороду электрохимического генератора, который через магистраль сброса паров воды и вентилятор сообщен со входом регулятора расхода водяного пара, один из выходов которого соединен через газовый теплообменник со входом парового риформера, а другой - с резервуаром хранения воды, выход резервуара хранения метанола через насос подключен к магистрали сброса тепла электрохимического генератора, которая соединена со входом регулятора расхода паров метанола, один из выходов которого соединен через газовый теплообменник со входом парового риформера, а другой - с резервуаром хранения метанола, который, как и резервуар хранения воды, имеет тепловой контакт с подводной частью корпуса плавательного средства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическим установкам, содержащим электрохимический генератор с кислородо-водородными топливными элементами (ТЭ) и может использоваться в составе плавательных средств (суда, подводные лодки и т.д.).

Известны энергоустановки (ЭУ) на основе электрохимического генератора (ЭХГ), где химическое соединение водорода с кислородом происходит в ТЭ с образованием воды и тепла, которые сбрасываются в окружающую среду [1]. Кроме ЭХГ такая ЭУ содержит блоки хранения водорода и кислорода, соединенные с ЭХГ, а также контур циркуляции водорода [1]. Отвод воды и тепла осуществляется соответственно циркуляцией водорода и теплоносителя - электролита.

Недостатком такой ЭУ с ЭХГ является ее повышенная пожаровзрывоопасность, обусловленная постоянным присутствием в установке водорода. Особенно опасно наличие свободного водорода на борту подводных плавательных средств, поскольку в случае протечки водород невозможно выпустить в атмосферу. Кроме того, хранение значительных количеств водорода в относительно небольших бортовых энергоустановках связано со значительными техническими трудностями (необходимы баллоны высокого или сверхвысокого давления, криогенные емкости и др.) и зачастую ограничено по времени.

Известна также ЭУ подводного аппарата (ПА), содержащая ЭХГ с кислородо-водородными ТЭ, блок хранения жидкого кислорода с газификатором и устройство хранения водорода в интерметаллидных соединениях, способных поглощать и выделять газообразный водород [2].

Недостатком этого устройства является большая масса и стоимость интерметаллида. Кроме того, выделение и поглощение водорода идет соответственно при нагревании и охлаждении интерметаллида, при определенных давлениях и температурах. Это требует сложной системы терморегулирования и больших энергозатрат. Кроме того, при размещении интерметаллида вне корпуса ПА задача обеспечения необходимого теплового режима существенно усложняется.

Описанные технические решения выбраны в качестве аналогов предлагаемому.

Более близким по своей сути является ЭУ с кислородо-водородным ЭХГ, принятая за прототип [3] и использующая химически связанное хранение водорода в виде метанола. При работе с ЭУ производится испарение жидких метанола и воды, получение водорода за счет химической реакции полученных паров (паровой риформинг метанола), а также последующее химическое соединение водорода и кислорода с получением электричества, воды и тепла.

ЭУ [3] содержит ЭХГ с магистралями подачи кислорода и водорода и магистралями сброса воды и тепла, блок хранения метанола и паровой риформинг (конвертор), подключенный к магистрали подачи водорода в ЭХГ, через блок разделения газов (блок очистки водорода).

В отличие от аналога [1] в данном техническом решении [3] водород не хранится в установке и используется в ТЭ сразу после генерирования, что существенно повышает пожаровзрывобезопасность (ПВБ) установки. Помимо этого, хранение метанола, в отличие от хранения водорода, не представляет трудностей и практически не ограничено по времени.

В отличие от аналога [2] здесь не используется тяжелые и дорогостоящие интерметаллидные соединения, требующие сложного технического обслуживания и больших энергозатрат для функционирования.

Недостатком прототипа [3] является невысокий КПД, связанный с неэффективными переносом тепла от ЭХГ к другим агрегатам. Как и в аналогах [1], в прототипе [3] передача тепла от ЭХГ к другим агрегатам (и к риформеру) производится с помощью системы терморегулирования (СТР) с жидким теплоносителем. В большинстве случаев таким носителем является специальная жидкость с широким рабочим диапазоном температур (например, тосол). Циркулируя по замкнутому изолированному контуру СТР, эта жидкость передает тепло из ЭХГ в риформер, где тепло используется для нагревания реагентов. При этом во всех случаях теплопередача осуществляется через стенки теплообменников. Эффективность такого способа переноса тепла невысока (особенно при небольшой разнице температур агрегатов), а энергозатраты на циркуляцию теплоносителя значительны. Это увеличивает энергозатраты на собственные нужды ЭУ и уменьшает ее КПД.

Кроме того, в прототипе много энергии затрачивается на удаление из системы углекислого газа, образующегося вместе с водородом при паровом риформинге метанола. Для этого также используется циркуляционная абсорбционная схема, аналогичная СТР. Это еще более снижает эффективность работы ЭУ.

Задачей предлагаемого технического решения является создание бортовой ЭУ с ЭХГ. которая имеет следующие свойства: повышенную эффективность (КПД) преобразования химической энергии в электрическую, упрощенный способ теплообмена между агрегатами ЭУ и упрощенная СТР, повышенную надежность функционирования, минимальное число рабочих компонентов ЭУ.

При этом ЭУ предназначается для использования на плавательных средствах.

Задача решается тем, что в состав ЭУ плавательного средства, содержащую резервуары хранения метанола и воды, паровой риформер, блок разделения газов с магистралью сброса углекислого газа, электрохимический генератор с входом по водороду и кислороду, магистралью сброса тепла и магистралью сброса паров воды, введены газовый теплообменник, насос, вентилятор, регулятор расхода паров метанола, регулятор расхода паров воды и резервуар хранения воды, при этом паровой риформер соединен через газовый теплообменник с блоком разделения газов, выход которого подключен ко входу по водороду электрохимического генератора, который через магистраль сброса паров воды и вентилятор сообщен со входом регулятора расхода паров воды, один из выходов которого соединен через газовый теплообменник со входом парового риформера, а другой - с резервуаром хранения воды, выход резервуара хранения метанола через насос подключен к магистрали сброса тепла электрохимического генератора, которая соединена со входом регулятора расхода паров метанола, один из выходов которого соединен через газовый теплообменник со входом парового риформера, а другой - с резервуаром хранения метанола, который, как и резервуар хранения воды, имеет тепловой контакт с подводной частью корпуса плавательного средства.

Суть предлагаемого технического решения иллюстрируется на чертеже, где: 1 - паровой риформер, 2 - газовый теплообменник, 3 - блок разделения газов (БРГ), 4 - ЭХГ, 5 - магистраль сброса тепла, 6 - магистраль сброса паров воды, 7 - магистраль сброса углекислого газа, 8 - насос, 9 - вентилятор, 10 - регулятор расхода паров метанола, 11 - регулятор расхода водяного пара, 12 - резервуар хранения метанола, 13 - резервуар хранения воды, 14 - подводная часть корпуса плавательного средства.

Вход ЭХГ (4) по водороду подключают к блоку разделения газов (3), магистраль сброса паров воды (6) подключают к вентилятору (9), который, в свою очередь, подключают к регулятору расхода водяного пара (11). Один из выходов этого регулятора через газовый теплообменник (2) соединяют с паровым риформером (1), а второй - с резервуаром хранения воды (13).

Выход резервуара хранения метанола (12) через насос (8) соединяют со входом магистрали сброса тепла (5) ЭХГ, а эту магистраль подключают на вход регулятора расхода паров метанола (10). Один из выходов этого регулятора соединен с резервуаром хранения метанола так, что при этом образуется контур прокачки метанола через ЭХГ, а другой выход регулятора расхода паров метанола (10) через газовый теплообменник (2) соединяют со входом парового риформера (1).

Энергоустановка работает следующим образом.

На стационарном режиме работы ЭУ насос (8) прокачивает жидкий метанол, поступающий из резервуара хранения метанола (12) по магистрали сброса тепла (5) через ЭХГ (4), где метанол испаряется и охлаждает ЭХГ. При этом количество, необходимое для охлаждения ЭХГ метанола, превосходит потребное для реакции в риформере. Пары метанола поступают в регулятор расхода паров метанола (10), откуда необходимое количество паров направляется на реакцию в паровой риформер (1), попутно дополнительно нагреваясь в газовом теплообменнике (2), а другая часть пара направляется в резервуар хранения метанола (12), где он конденсируется и охлаждается, при этом утилизируется избыток метанола, необходимого для охлаждения ЭХГ и одновременно за счет теплового контакта с подводной частью плавательного средства (14) производится сброс тепла за борт.

Получаемый в паровом риформере (1) синтез-газ поступает в газовый теплообменник (2), где он дополнительно нагревает пары метанола и воды, и поступает в блок разделения газов (3). Здесь из газовой смеси выделяется водород, а углекислый газ выбрасывается в окружающую среду по магистрали сброса углекислого газа (7). Выделенный в блоке разделения газов (3) водород направляется в ЭХГ (4) для реакции с кислородом, подаваемым из магистрали подачи кислорода, (не показано на чертеже). Часть получаемого при этом водяного пара через вентилятор и регулятор расхода водяного пара (11) направляют в паровой риформер (1) для химической реакции, а оставшийся пар направляется на конденсацию в резервуар хранения воды (13), при этом так же, как и в случае с метанолом, избыток тепла сбрасывается за борт. Побудителем расхода в контуре водяного пара является вентилятор (9). Охлаждение реагентов в резервуарах хранения (12) и (13) происходит за счет сброса тепла в забортную воду через подводную часть корпуса (14) плавательного средства. Необходимо отметить, что необходимая интенсивность теплоотдачи из резервуаров хранения воды и метанола в данной схеме достигается за счет того, что снаружи находится вода, а не воздух, имеющий коэффициент теплоотдачи на два порядка меньше, чем у воды.

Таким образом, в предлагаемой конструкции положительный эффект достигается за счет следующих основных факторов: за счет более эффективного способа отвода тепла от ЭХГ используется не только теплоемкость теплоносителя метанола, но и его испарение, за счет более эффективного способа отдачи тепла реагенту тепло передается вместе с самим теплоносителем, который одновременно является и реагентом, за счет упрощенной СТР ЭУ охлаждение компонентов производится за счет теплоотдачи в забортную воду, что существенно упрощает конструкцию ЭУ, повышает надежность ее работы и КПД.

Предложенные меры позволяют существенно снизить энергозатраты на собственные нужды ЭУ, т.е. повысить ее КПД, улучшить массогабаритные характеристики установки, упростить ее конструкцию за счет уменьшения числа рабочих компонентов, так как в качестве теплоносителя СТР используется реагент, и сделать установку более надежной.

Список используемой литературы

1. Коровин Н.В. Электрохимические генераторы. - М.: Энергия, 1974, с. 106-109.

2. Батырев А.И. Корабельные ЯЭУ зарубежных стран. - СПб, 1994.

3. Коровин Н.В. Электрохимические генераторы. - М.: Энергия, 1974, с. 165-166.