энергоустановка подводного аппарата с электрохимическим генератором

Формула изобретения

Энергоустановка подводного аппарата, содержащая электрохимический генератор, соединенные с ним накопители водорода, блок хранения криогенного кислорода с газификатором, подключенным к электрохимическому генератору, гидролизную систему получения водорода, подключенную к накопителям водорода; емкость для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, сообщающуюся с гидролизной системой получения водорода, отличающаяся тем, что в нее введены смеситель газов и насос с блоком управления, электрически соединенный с электрохимическим генератором и установленный на магистрали, соединяющей обитаемые отсеки подводного аппарата с нижней частью емкости для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, верхняя часть которой соединена магистралью с первым входом смесителя газов, второй вход которого через управляемый регулятор расхода кислорода соединен магистралью с газификатором, а выход смесителя газов по воздуху сообщен с обитаемыми отсеками подводного аппарата магистралью, на которой установлен датчик концентрации кислорода, подключенный к блоку управления регулятора расхода кислорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области водородной энергетики и может использоваться в энергоустановках (ЭУ), работающих на водородно-кислородных топливных элементах (ТЭ), входящих в состав электрохимических генераторов (ЭХГ). Такие установки в последнее время начинают находить применение в подводном флоте, при этом они являются воздухонезависимыми, что обуславливается условием скрытности плавания. Кислород при этом традиционно хранится на борту подводного аппарата (ПА) в сжиженном виде, а водород либо хранят на борту (в жидком виде или в интерметаллидных соединениях), либо генерируют на борту с помощью химических реакций.

Хранение на борту ПА водорода сталкивается со значительными трудностями из-за проблем безопасности и неудовлетворительных объемно-весовых характеристик таких систем. По сравнению с ними системы, генерирующие водород, практически безопасны и обладают более высокими объемно-весовыми характеристиками. Но и для таких ЭУ существуют проблемы, связанные с хранением на борту ПА продуктов химической реакции получения водорода (отработки). Условие скрытности плавания не позволяет сбрасывать продукт реакции за борт, в результате чего полученную при генерировании водорода отработку приходится хранить на борту в течение всего плавания.

Среди воздухонезависимых ЭУ ПА, использующих химические реакции для получения водорода на борту, наиболее "продвинутыми" разработками являются ЭУ, в которых водород получается в результате парового риформинга метанола [1] (аналог). Основным продуктом отработки в этом случае является углекислый газ, причем по условиям химической реакции его образуется достаточно много. В результате при длительном плавании возникают проблемы, связанные с длительным хранением большого количества углекислоты на борту ПА. Сброс же углекислоты за борт при скрытом плавании достаточно проблематичен, так как приводит к образованию пузырькового следа ПА.

Таким образом, в этом случае приходится "возить" с собой большое количество бесполезной отработки и тратить часть выработанной энергии на ее хранение (например, на компремирование и охлаждение углекислого газа). Кроме того, наличие на борту ПА больших количеств углекислоты небезопасно в случае нештатной ситуации.

От перечисленных недостатков свободно техническое решение [2], по своей сути более близкое к предлагаемому и принятое за прототип.В данном случае для получения водорода используется реакция гидролиза алюминия в водном растворе щелочи. Этот способ получения водорода применялся уже около 100 лет назад в дирижаблестроении, при этом использовался в "наземных" условиях [3, 4]. В дальнейшем этот же способ предлагалось использовать и для транспортных ЭУ, работающих на водородных ТЭ [2].

По сравнению с ЭУ, использующими для получения водорода риформинг метанола (или углеводородов), установка ПА с гидролизной системой получения водорода имеет следующие преимущества:

- они более безопасны, так как на борту ПА не хранится большое количество углекислоты, представляющей собой опасность для человека;

- хранение отработки, представляющей собой раствор алюмината натрия (NaAlO₂) в водном растворе щелочи (NaOH+Н ₂О), гораздо проще технологически, требует меньших объемов и энергозатрат;

- в нештатных ситуациях сброс большого количества жидкости провести гораздо проще, чем сброс большого количества сжиженного газа.

Недостатком же прототипа по-прежнему является необходимость хранения на борту ПА в течение длительного времени большого количества бесполезного вещества.

Задачей предлагаемого решения является разработка способа для более полного использования возможностей ЭУ с гидролизной системой генерирования водорода, что улучшит характеристики ПА в целом. Помимо энергоснабжения ПА такая ЭУ должна обеспечивать регенерацию воздуха для экипажа ПА.

Задача решается тем, что в состав энергоустановки подводного аппарата, содержащей электрохимический генератор, соединенные с ним накопители водорода, блок хранения криогенного кислорода с газификатором, подключенным к электрохимическому генератору, гидролизную систему получения водорода, подключенную к накопителям водорода; емкость для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, сообщающуюся с гидролизной системой получения водорода, введены смеситель газов и насос с блоком управления, электрически соединенный с электрохимическим генератором и установленный на магистрали, соединяющей обитаемые отсеки подводного аппарата с нижней частью емкости для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, верхняя часть которой соединена магистралью с первым входом смесителя газов, второй вход которого через управляемый регулятор расхода кислорода соединен магистралью с газификатором, а выход смесителя газов по воздуху сообщен с обитаемыми отсеками подводного аппарата магистралью, на которой установлен датчик концентрации кислорода, подключенный к блоку управления регулятора расхода кислорода.

Суть предложения заключается в том, что продукты реакции гидролиза, имеющие щелочную природу, используются для химического связывания углекислого газа. Например, если используется реакция гидролиза алюминия в водном растворе едкого натра, то жидкая отработка представляет собой раствор алюмината натрия (NaAlO ₂) в водном растворе щелочи (NaOH+Н₂О) [3]. В этом случае углекислый газ связывается в отработке в соответствии с уравнениями

NaOH+CO₂NaHCO ₃

2NaAlO₂+CO₂Na ₂СО₃+Al₂О₃

В результате образуется водный раствор соды с суспензией окисла алюминия.

После очистки воздуха от CO₂ в него добавляют необходимое количество кислорода, и воздух возвращается в обитаемые отсеки ПА.

Схема такой установки дана на чертеже, где обозначено:

1 - переборка обитаемого отсека ПА;

2 - гидролизная система получения водорода;

3 - накопители водорода;

4 - ЭХГ;

5 - блок хранения криогенного кислорода;

6 - газификатор;

7 - емкость для сбора жидких продуктов реакции гидролиза;

8 - смеситель газов;

9 - насос;

10 - блок управления насосом;

11 - магистраль, соединяющая обитаемые отсеки ПА с нижней частью емкости (7);

12, 13, 15 - магистрали;

14 - управляемый регулятор расхода кислорода;

16 - датчик концентрации кислорода;

17 - блок управления регулятора расхода кислорода (14).

Магистраль (11), соединяющая обитаемые отсеки ПА с нижней частью емкости для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, с установленным на ней насосом (9) проходит через переборку (1), отделяющую отсек ЭУ от обитаемых отсеков ПА. Питание насоса (9) осуществляется от ЭХГ (4) через блок управления насосом (10). Верхняя часть емкости (7) для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, где размещена газовая подушка, магистралью (12) соединяется со смесителем газов (8). Другой вход этого смесителя подключен посредством магистрали (13) к газификатору (6) блока хранения криогенного кислорода (5). На магистрали (13) установлен управляемый регулятор расхода кислорода (14). Управление его работой (т.е. задание величины расхода кислорода) осуществляется от его блока управления (17), подключенного к датчику концентрации кислорода (16), установленному на магистрали (15), соединяющей смеситель газов (8) с обитаемыми отсеками ПА.

Работает данное устройство следующим образом. По сигналу об избыточном количестве СО ₂ в обитаемых отсеках ПА блок управления насосом (10) включает его питание от ЭХГ (4), и по магистрали (11), соединяющей обитаемые отсеки ПА с нижней частью емкости для сбора жидких продуктов реакции гидролиза, воздух поступает в емкость (7) для сбора жидких продуктов реакции гидролиза. Пройдя через щелочной раствор, находящийся в этой емкости (7), воздух очищается от углекислого газа и по магистрали (12) выходит из газовой подушки емкости (7) для сбора жидких продуктов реакции гидролиза. После выхода из этой емкости воздух состоит главным образом из азота и небольшого количества кислорода. В смесителе газов (8), куда затем поступает эта смесь, она обогащается кислородом и по магистрали (15) возвращается в обитаемые отсеки ПА. Количество кислорода, добавляемого в газовую смесь в смесителе газов (8), регулируется регулятором расхода кислорода (14), работой которого управляет его блок управления (17), к которому подключен датчик концентрации кислорода (16), установленный на магистрали (15). Таким образом, показания датчика концентрации кислорода (16) определяют необходимое количество добавляемого кислорода, подаваемого в смеситель газов (8) из блока хранения криогенного кислорода (5). Тем самым выдерживается нормальный состав воздуха, возвращаемого из отсека ЭУ в обитаемые отсеки ПА.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности ЭУ, в которой для снабжения ЭХГ водородом используется гидролизный способ его получения.

При этом то обстоятельство, что на борту ПА во время плавания хранится значительное количество отработанных жидких продуктов реакции, из недостатка превращается в достоинство установки, поскольку это обеспечивает большую емкость системы по углекислому газу, что имеет особенно большое значение в аварийных ситуациях с ПА.

Литература

1. "Энергоустановка с топливными элементами, работающая на паровом риформинге". Пат. США №4001041.

2. "Энергетическая установка подводной лодки". Пат. RU №2181331; B 63 G 8/08; 2002 г.

3. "Техническая энциклопедия" под ред. Мартенса, т. 5, изд. второе, стр. 102, 103. Москва, ОНТИ, ССР, 1937 г.

4. "Газовое дело в дирижаблестроении". И.Когутов, радакционно-издательский отдел АЭРОФЛОТА; Москва, 1938 г.