способ эксплуатации электрохимического генератора и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации электрохимического генератора, при котором через батарею топливных элементов прокачивают водород и жидкий электролит, а воздух, очищенный от CO₂, пропускают через батарею топливных элементов и выбрасывают его в окружающую среду, выделяя при этом электроэнергию и продукт реакции - воду, отличающийся тем, что продукт реакции - воду, смешивают в жидком электролите, разбавляя электролит до получения 15% концентрации, затем нагревают электролит до температуры кипения воды, а воздух, пропущенный через батарею топливных элементов, охлаждают до температуры окружающей среды, после чего смешивают его с паром, образовавшемся в результате нагрева электролита, и сбрасывают образовавшуюся парогазовую смесь в окружающую среду, повышая при этом концентрацию электролита до 35%, при этом в период сброса парогазовой смеси воздух пропускают с максимальным расходом, а в период выделения продукта реакции - воды - расход воздуха осуществляют прямо пропорционально мощности, выделяемой электрохимическим генератором потребителям электрического тока.

2. Устройство для реализации способа эксплуатации электрохимического генератора, содержащее блок нагрузок с регистратором параметров работы электрохимического генератора, батарею топливных элементов с системой прокачки воздуха, включающую вентилятор, фильтр для очистки воздуха от СО₂ и штуцер выхода воздуха из батареи топливных элементов, систему прокачки водорода, контур прокачки электролита, включающий резервуар для электролита с газовой и жидкостной полостями и насос, отличающееся тем, что в него введены охладитель потока воздуха, клапан регулирования потока воздуха и магистраль сброса парогазовой смеси, при этом вход клапана регулирования потока воздуха присоединен к штуцеру выхода воздуха из батареи топливных элементов, один выход этого клапана соединен со входом охладителя потока воздуха, другой - соединен с магистралью сброса продукта реакции вместе с воздухом, выход охладителя воздуха соединен с газовой полостью резервуара электролита, а магистраль сброса продукта реакции вместе с воздухом присоединена к газовой полости резервуара для электролита, причем резервуар электролита снабжен нагревателем, датчиком температуры и датчиком уровня с показаниями уровня электролита по высоте, которые соединены кабельной сетью с регистратором параметров работы электрохимического генератора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вентилятор снабжен регулируемым приводом с блоком автоматики регулируемого привода, при этом питание электрическим током вентилятора осуществляется от шин электрохимического генератора через блок автоматики регулируемого привода, а управление работой регулируемого привода осуществляется по сигналам регистратора параметров работы электрохимического генератора.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ эксплуатации электрохимического генератора (ЭХГ), при котором одновременно прокачивают через батарею топливных элементов (БТЭ) кислород, водород и жидкий электролит, при этом газовые компоненты и продукт реакции, воду периодически сбрасывают в окружающую среду [1]. Известно устройства для реализации этого способа [1], содержащее БТЭ, системы хранения, подачи и прокачки водорода и кислорода, системы прокачки электролита и магистрали продувки водорода, кислорода и сброса воды.

Недостатком аналога способа эксплуатации ЭХГ и устройства для его реализации 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 способ эксплуатации ЭХГ, принятый за прототип [2], при котором через батарею топливных элементов прокачивают водород и жидкий электролит, а воздух, очищенный от СО₂, пропускают через батарею топливных элементов и выбрасывают его в окружающую среду, выделяя при этом электроэнергию и продукт реакции, воду, которую сбрасывают в окружающую среду.

Устройство для реализации такого типа ЭХГ, принятое за прототип [2], включает: БТЭ с системой прокачки воздуха, содержащей вентилятор, фильтр для очистки воздуха от CO₂ и штуцер выхода воздуха из БТЭ, систему прокачки водорода, замкнутый контур прокачки электролита, содержащий резервуар для электролита с газовой и жидкостной полостями и насос.

В этом способе и устройстве, его реализующем, с целью повышения безопасности эксплуатации используют воздух, количество которого можно выбрать таким при прокачке, которое исключает пожаровзрывоопасную ситуацию.

Недостатком прототипа способа эксплуатации ЭХГ и устройства, его реализующего, являются большие энергозатраты для реализации этого способа. Это связано с тем, что, во-первых, продукт реакции, воду сначала испаряют, затем конденсируют, после чего постоянно сбрасывают в виде жидкости в окружающую среду, что требует значительного увеличения энергии. Во-вторых, как известно, нагрузка ЭХГ (потребление электроэнергии) в период эксплуатации есть величина переменная. Поэтому потребление водорода и кислорода воздуха в процессе эксплуатации также должно быть переменным, то есть зависеть от нагрузки. Следовательно, продувка воздуха также должна зависеть от нагрузки. В прототипе воздух подается с постоянным расходом на всех режимах эксплуатации, обеспечивающим максимальный режим работы. Это увеличивает расход электроэнергии при всех других режимах.

Устройство для реализации этого способа является сложным в эксплуатации, что значительно снижает надежность.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание такого способа эксплуатации ЭХГ и устройства для его реализации, при которых значительно снизились бы энергозатраты на эксплуатацию ЭХГ и упростилась бы его конструкция. Это позволит продлить срок службы, снизить стоимость и повысить надежность ЭХГ.

Задача решается совокупностью всех существующих признаков.

В предлагаемом способе эксплуатации ЭХГ, при котором через батарею топливных элементов прокачивают водород и жидкий электролит, а воздух, очищенный от CO₂, пропускают через батарею топливных элементов и выбрасывают его в окружающую среду, выделяя при этом электроэнергию и продукт реакции - воду, воду смешивают в жидком электролите, разбавляя электролит до получения 15% концентрации. После чего нагревают электролит до температуры кипения воды, а воздух, пропущенный через батарею топливных элементов, охлаждают до температуры окружающей среды, смешивают его с паром, образовавшемся в результате нагрева электролита, и сбрасывают образовавшуюся парогазовую смесь в окружающую среду, повышая при этом концентрацию электролита до 35%.

В результате этого, с одной стороны, в результате нагрева электролита происходит испарение воды, а с другой стороны, в результате поступления холодного потока воздуха происходит конденсация паров воды, то есть отделение щелочи от паров воды. Таким образом, происходит сброс парогазовой смеси, а щелочь практически остается в электролите. При этом в период сброса парогазовой смеси воздух пропускают с максимальным расходом, а в период выделения продукта реакции - воды расход воздуха осуществляют прямо пропорционально мощности, выделяемой электрохимическим генератором потребителям электрического тока.

Устройство для реализации этого способа эксплуатации электрохимического генератора содержит блок нагрузок с регистратором параметров работы электрохимического генератора, батарею топливных элементов с системой прокачки воздуха, включающей вентилятор, фильтр для очистки воздуха от СО₂ и штуцер выхода воздуха из батареи топливных элементов, систему прокачки водорода, замкнутый контур прокачки электролита, включающий резервуар для электролита с газовой и жидкостной полостями и насос, охладитель потока воздуха, клапан регулирования потока воздуха и магистраль сброса парогазовой смеси, при этом вход клапана регулирования потока воздуха присоединен к штуцеру выхода воздуха из батареи топливных элементов, один выход этого клапана соединен со входом охладителя потока воздуха, другой соединен с газовой полостью резервуара электролита, а магистраль сброса парогазовой смеси присоединена к газовой полости резервуара для электролита, причем резервуар электролита снабжен нагревателем, датчиком температуры и датчиком уровня с показаниями уровня электролита по высоте, которые соединены кабельной сетью с регистратором параметров работы электрохимического генератора.

Вентилятор этого устройства снабжен регулируемым приводом с блоком автоматики регулируемого привода, при этом питание электрическим током вентилятора осуществляется от шин электрохимического генератора через блок автоматики регулируемого привода, а управление работой регулируемого привода осуществляется по сигналам регистратора параметров работы электрохимического генератора.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства, где:

1 - система прокачки водорода;

2 - батарея топливных элементов;

3 - блок нагрузок;

4 - блок автоматики регулируемого привода;

5 - вентилятор;

6 - фильтр для очистки воздуха от CO₂;

7 - штуцер выхода воздуха из батареи топливных элементов;

8 - резервуар для электролита;

9 - газовая полость резервуара для электролита;

10 - нагреватель;

11 - датчик уровня электролита;

12 - насос;

13 - охладитель потока воздуха;

14 - клапан регулирования потока воздуха;

15 - магистраль сброса парогазовой смеси;

16 - регистратор параметров работы ЭХГ;

17 - датчик температуры;

18 - шины электрохимического генератора.

Способ эксплуатации реализуется следующим образом:

В период эксплуатации ЭХГ, когда к шинам электрохимического генератора 18 подсоединена нагрузка 3 (двигатель, насосы, вентиляторы, нагреватели и т.д., то есть потребители электрического тока), водород из системы прокачки водорода 1 и воздух, подаваемый вентилятором 5 через фильтр для очистки воздуха от СО₂ 6, поступает в БТЭ 2, а жидкий электролит прокачивается насосом 12 через БТЭ 2 и резервуар электролита 8 по замкнутому контуру, происходит химическая реакция соединения водорода с кислородом воздуха с образованием электроэнергии и продукта реакции, воды. Вентилятор 5, снабженный регулируемым приводом, питается от шин ЭХГ через блок автоматики регулируемого привода 4, причем вход блока автоматики регулируемого привода соединен с регистратором параметров работы ЭХГ 16, с показаниями датчика уровня 11 по высоте "верхний допустимый уровень", соответствующий 15% концентрации электролита, и "нижний допустимый уровень", соответствующий 35% концентрации электролита.

Жидким электролитом в данном случае является, например, раствор гидроокиси калия в дистиллированной воде.

В процессе эксплуатации ЭХГ в зависимости от электроэнергии, выделяемой в БТЭ, изменяется расход воздуха, прокачиваемый вентилятором 5. Вода, образующаяся в результате реакции соединения водорода с кислородом воздуха, поглощается раствором электролита и попадает в резервуар электролита 8. В результате этого изменяется уровень электролита, который фиксируется датчиком уровня электролита 11, температура электролита измеряется датчиком температуры 17.

Воздух, выходящий из БТЭ 2 по штуцеру выхода воздуха из батареи топливных элементов 7, поступает в магистраль сброса продукта реакции вместе с воздухом 15 через клапан регулирования потока воздуха 14 до тех пор, пока резервуар электролита 8 не заполнится до показания датчика уровня 11 "верхний рабочий уровень.

При заполнении резервуара электролита 8, измеряемого датчиком уровня электролита 11 до отметки "верхний рабочий уровень", поступает сигнал в регистратор параметров работы ЭХГ 16. В результате этого клапан регулирования потока воздуха 14 переключается таким образом, что воздух, выходящий из БТЭ 2, поступает в газовую полость резервуара электролита 9, охлаждаясь при этом до температуры окружающей среды в охладителе потока воздуха 13. В этот момент измеряется температура резервуара электролита 8 по датчику температуры 17 и, в случае если температура электролита меньше температуры кипения воды, включается нагреватель 10. Блок автоматики регулируемого привода 4 по этому сигналу включает насос на максимальный расход и парогазовая смесь из газовой полости резервуара электролита 9 выбрасывается в окружающую среду.

В результате этого происходит следующее: с одной стороны, в результате нагрева происходит испарение воды, а с другой стороны, в результате поступления холодного потока воздуха происходит конденсация паров воды в щелочи, то есть отделение щелочи от паров воды. Таким образом, происходит сброс продукта парогазовой смеси, а щелочь практически остается в электролите. Это связано с тем, что теплоемкость и теплопроводность щелочи меньше теплоемкости и теплопроводности воды. Поэтому щелочь охлаждается намного быстрее, чем вода.

Сброс парогазовой смеси продолжается до тех пор, пока датчик уровня 11 не выдаст сигнал "нижний допустимый уровень" в регистратор параметров работы ЭХГ 16. По этому сигналу выдается команда на переключение клапана регулирования потока воздуха 14 в исходное положение, отключается нагреватель, а питание вентилятора 5, снабженного регулируемым приводом, осуществляют в прямой зависимости от выделяемой энергии.

Предлагаемый способ эксплуатации электрохимического генератора позволяет значительно снизить затраты электроэнергии для собственных нужд, при этом упрощается конструкция электрохимического генератора. Это позволит продлить срок службы, снизить стоимость и повысить надежность электрохимического генератора.

Таким образом, решается задача создания такого способа эксплуатации ЭХГ и устройства для его реализации, при которых значительно снижаются энергозатраты на эксплуатацию ЭХГ за счет более экономического способа прокачки воздуха, упрощается конструкция из-за отсутствия теплообменников, превращающих пар в жидкость. Это позволит продлить срок службы, снизить стоимость и повысить надежность ЭХГ.

Список использованных источников

1. Коровин Н.В. "Электрохимические генераторы". "Энергия". Москва, стр106-109.

2. Коровин Н.В. "Электрохимические генераторы". "Энергия". Москва, стр109-113.