энергетическая установка подводного аппарата

Формула изобретения

Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая устройство получения водорода и электрохимический генератор (ЭХГ) с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения и подготовки кислорода, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, с магистралью питания водородом, соединенной с магистралью выхода водорода с установленными в ней датчиком давления водорода, регулируемым клапаном выдачи водорода, редуктором давления водорода и влагоотделителем от водорода, соединенным магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды, с магистралью подачи воды с установленными в ней последовательно регулируемым насосом и управляемым клапаном подачи воды, отличающаяся тем, что устройство получения водорода выполнено в виде водоактивируемого химического источника тока с газовой подушкой, включающего в свой состав растворимый металлический анод (например, выполненный из магния или сплава на его основе) и инертный каталитический катод, установленные в герметичную емкость, заполненную водным раствором электролита (или морской водой), имеющую датчик уровня электролита и соединенную с магистралью подачи воды и с магистралью сбора твердофазных продуктов реакций; при этом газовая подушка емкости водоактивируемого химического источника тока соединена с магистралью выхода водорода, а магистраль сбора твердофазных продуктов реакций соединена с емкостью хранения твердофазных продуктов реакций, электрические выводы водоактивируемого химического источника тока и электрические выводы ЭХГ соединены с входами преобразователя напряжения, а электрические выводы преобразователя соединены с потребителем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) подводного аппарата (ПА).

Аналогом является, например, ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами и блоки хранения криогенных кислорода и водорода, размещенные вне прочного корпуса ПА (А.А.Постнов. Опытная подводная лодка проекта 613 Э с электрохимическими генераторами. Судостроение, 1998, №2, стр.28). Недостатками аналога являются потери криогенного водорода при перевозке на большие расстояния, перерасход водорода при заправке криогенного блока хранения, потери криогенного водорода при хранении на борту, вызывающие необходимость непроизводительного удаления газообразного водорода. Ограниченное время хранения криогенного водорода снижает готовность ПА к работе. Кроме того, блоки хранения криогенного водорода и кислорода, размещенные вне прочного корпуса ПА, являются пожаровзрывоопасными объектами и увеличивают сопротивление движению ПА.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой ЭУ является ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, блок хранения кислорода и устройства для получения водорода путем гидролиза алюминия в водном растворе щелочи (Патент РФ №2230401, дата публикации 10.06.2004).

Недостатками известной энергетической установки подводного аппарата являются большая масса хранимых на борту ПА химически активных веществ, в том числе и опасного вещества - концентрированной щелочи, а также большая масса технологического оборудования и высокая стоимость установки. Кроме того, необходимость предварительного получения водорода для ЭХГ с помощью хранимых на борту ПА веществ снижает готовность энергетической установки к работе.

Техническим результатом изобретения является создание новой энергетической установки уменьшенной массы, обладающей повышенной безопасностью, и сокращение времени подготовки установки к работе.

Это достигается тем, что в энергетической установке подводного аппарата, содержащей устройство получения водорода, электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения и подготовки кислорода, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, с магистралью питания водородом, соединенной с магистралью выхода водорода с установленными в ней датчиком давления водорода, регулируемым клапаном выдачи водорода, редуктором давления водорода и влагоотделителем от водорода, соединенным магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды, с магистралью подачи воды с установленными в ней регулируемым насосом и управляемым клапаном подачи воды, согласно изобретению устройство получения водорода выполнено в виде водоактивируемого химического источника тока, включающего в свой состав растворимый металлический анод (например, выполненный из магния или сплава на его основе) и инертный каталитический катод, установленные в герметичную емкость, заполненную водным раствором электролита (или морской водой), имеющую датчик уровня электролита и соединенную с магистралью подачи воды и с магистралью сбора твердофазных продуктов реакций; при этом газовая подушка емкости водоактивируемого химического источника тока соединена с магистралью выхода водорода, а магистраль сбора твердофазных продуктов реакций соединена с емкостью хранения твердофазных продуктов реакций; электрические выводы водоактивируемого химического источника тока и электрические выводы ЭХГ соединены с входами преобразователя напряжения, а с электрических выводов преобразователя напряжения электрическая энергия подается потребителям.

Предлагаемая энергетическая установка подводного аппарата более безопасна, чем прототип, так как для ее работы не нужна концентрированная щелочь. Исходные компоненты водоактивируемого химического источника тока (растворимый металлический анод, инертный каталитический катод и нейтральный водный раствор электролита) полностью безопасны и хранятся на борту ПА в готовом для применения виде.

Время готовности к работе предлагаемой энергетической установки подводного аппарата по сравнению с прототипом сокращается, так как выработка электроэнергии и водорода в предлагаемой энергетической установке начинается одновременно с заполнением емкости водоактивируемого химического источника тока нейтральным водным раствором электролита (или морской водой). Это обеспечивает практически мгновенную готовность ЭУ к приему частичной нагрузки и быстрый выход на номинальный режим. В прототипе для получения электроэнергии необходимо выполнить ряд предварительных технологических операций по приготовлению реагентов из хранимых запасов веществ, их транспортирование и дозированную подачу в реактор.

По сравнению с прототипом предлагаемая энергетическая установка подводного аппарата содержит меньшее число аппаратов, емкостей, магистралей, арматуры и контрольно-измерительных приборов. В составе предлагаемой ЭУ по сравнению с прототипом отсутствуют емкость хранения концентрированной щелочи, блок смешения и подачи щелочного раствора, управляемый клапан щелочного раствора, управляемый клапан подачи концентрированной щелочи, управляемый клапан входа продуктов реакции, управляемый клапан выхода продуктов реакции, датчик концентрации концентрированной щелочи, датчик концентрации щелочного раствора. Кроме того, в предлагаемой энергетической установке обеспечивается более эффективное использование химической энергии реагирующего с водным раствором вещества (растворимого металлического анода) для получения водорода, т.к. часть химической энергии этого вещества высвобождается в виде электричества. По этим причинам при равной мощности масса предлагаемой энергетической установки будет меньше, чем прототипа.

Стоимость энергетической установки подводного аппарата по сравнению с прототипом ниже, так как из ее состава исключается значительная часть технологического оборудования, контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, перечисленной в предыдущем абзаце, а единственным расходным материалом является растворимый металлический анод

На чертеже приведена схема предлагаемой энергетической установки подводного аппарата, где

1 - емкость водоактивируемого химического источника тока,

2 - растворимый металлический анод,

3 - инертный каталитический катод,

4 - водный раствор электролита (или морская вода),

5 - электрические выводы водоактивируемого химического источника тока,

6 - преобразователь напряжения,

7 - электрические выводы преобразователя напряжения,

8 - газовая подушка,

9 - магистраль выхода водорода,

10 - датчик давления водорода,

11 - регулируемый клапан выдачи водорода,

12 - влагоотделитель от водорода,

13 - магистраль питания водородом ЭХГ,

14 - редуктор давления водорода,

15 - электрохимический генератор (ЭХГ),

16 - магистраль питания кислородом ЭХГ,

17 - блок хранения и подготовки кислорода,

18 - электрические выводы ЭХГ,

19 - магистраль слива воды,

20 - емкость сбора воды,

21 - магистраль сбора воды,

22 - датчик уровня в емкости водоактивируемого химического источника тока,

23 - линия передачи сигнала от датчика уровня,

24 - управляемый клапан подачи воды,

25 - магистраль подачи воды,

26 - регулируемый насос,

27 - магистраль сбора твердофазных продуктов реакций,

28 - емкость хранения твердофазных продуктов реакций.

ЭХГ 15 сообщен магистралью 16 с блоком 17 хранения и подготовки кислорода. Газовая подушка 8 емкости 1 водоактивируемого химического источника тока связана магистралью 9 выхода водорода с магистралью 13 питания водородом ЭХГ 15. На магистрали 9 выхода водорода последовательно установлены датчик 10 давления водорода, регулируемый клапан 11 выдачи водорода, влагоотделитель 12 от водорода и редуктор 14 давления водорода.

ЭХГ 15 с помощью магистрали 19 слива воды сообщен с емкостью 20 сбора воды, второй вход емкости 20 сбора воды сообщен с влагоотделителем 12 от водорода магистралью 21.

Емкость 20 сбора воды сообщена магистралью 25 подачи воды с емкостью 1 водоактивируемого химического источника тока. В магистрали 25 подачи воды последовательно установлены регулируемый насос 26 и управляемый клапан 24 подачи воды в емкость 1 водоактивируемого химического источника тока, соединенный линией 23 передачи сигнала от датчика 22 уровня электролита в емкости 1 водоактивируемого химического источника тока.

Нижняя часть емкости 1 водоактивируемого химического источника тока связана магистралью 27 сбора твердофазных продуктов реакций с емкостью 28 хранения твердофазных продуктов реакций.

Электрические выводы 5 водоактивируемого химического источника тока и электрические выводы 18 ЭХГ 15 подключены к преобразователю 6 напряжения, и с электрических выводов 7 преобразователя 6 напряжения электрическая энергия подается потребителям.

Энергетическая установка работает следующим образом. При заполнении емкости 1 водоактивируемого химического источника тока, в которой размещены растворимый металлический анод 2 и инертный каталитический катод 3, нейтральным водным раствором электролита (или морской водой) 4 начинают протекать следующие электрохимические реакции:

- на аноде 2 ,

- на катоде 3 ,

- в водном растворе электролита 4·H ₂О=ОН^-+H⁺, ,

или в виде суммарной реакции:

,

где Me - металл, из которого выполнен растворимый металлический анод 2.

В результате этих электрохимических реакций на электрических выводах 5 водоактивируемого химического источника тока появляется электрическое напряжение. С выводов 5 электрическая энергия поступает на вход преобразователя 6 напряжения и с выводов 7 преобразователя 6 подается потребителям электроэнергии. Образовавшийся в ходе этих реакций водород заполняет верхнюю часть емкости 1 водоактивируемого химического источника тока, образуя газовую подушку 8, из которой поступает в магистраль 9 выхода водорода. Давление водорода контролируется датчиком 10 давления. Через регулируемый клапан 11 выдачи водорода водород поступает во влагоотделитель 12 от водорода и далее через редуктор 14 давления водорода в магистраль 13 питания водородом ЭХГ 15.

В ЭХГ 15 по магистрали 16 поступает также кислород из блока 17 хранения и подготовки кислорода. В результате реакции между водородом и кислородом в ЭХГ 15 вырабатывается электроэнергия и на электрических выводах 18 ЭХГ 15 появляется напряжение. С выводов 18 электрическая энергия из ЭХГ 15 поступает на вход преобразователя 6 напряжения, в котором происходит суммирование электроэнергии, поступающей из ЭХГ 15 и с выводов 5 водоактивируемого химического источника тока, с электрических выводов 7 преобразователя 6 напряжения электрическая энергия подается потребителям.

В ЭХГ 15 в результате реакции соединения водорода и кислорода образуется вода, которая по магистрали 19 стекает в емкость 20 сбора воды. Вода, накопившаяся во влагоотделителе 12 от водорода, также стекает в емкость 20 сбора воды по магистрали 21 сбора воды.

Для поддержания требуемого уровня электролита в емкости 1 путем восполнения затрат воды, связанных с протеканием электрохимических реакций и с удалением их продуктов, по сигналу датчика уровня 22, поступающему по линии 23 на управляемый клапан 24, вода из емкости 20 подается в магистраль 25 посредством регулируемого насоса 26.

Накапливающиеся в нижней части емкости 1 водоактивируемого химического источника тока твердофазные продукты реакций по магистрали 27 сбора твердофазных продуктов реакций поступают в емкость 28 хранения твердофазных продуктов реакций либо удаляются за борт.

Повышение безопасности предлагаемой ЭУ подводного аппарата достигается за счет исключения из состава реагентов, хранимых на борту ПА, агрессивного химического вещества - концентрированной щелочи и оборудования для осуществления технологических операций с ней.

Уменьшение массы заявляемой энергоустановки по сравнению с прототипом связано с тем, что в ее составе содержится меньше аппаратов, емкостей, магистралей, арматуры и контрольно-измерительных приборов, а также обеспечивается более эффективное использование химической энергии реагирующего с водным раствором вещества для получения водорода, т.к. часть химической энергии высвобождается в виде электрической энергии, что позволяет уменьшить мощность и массу ЭХГ и обслуживающих его систем и оборудования.

Снижение стоимости установки и ее эксплуатации по сравнению с прототипом связано с тем, что из ее состава исключается значительная часть специального технологического оборудования, контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, а единственным расходным материалом является растворимый металлический анод, при этом энергия, высвобождающаяся при его окислении, частично преобразуется в полезно используемую электроэнергию.

Снижение времени готовности к работе заявляемой энергоустановки по сравнению с прототипом связано с тем, что исключаются затраты времени на технологические операции приготовления реагентов из хранимых на борту ПА запасов веществ, их транспортирование и дозированную подачу в реактор для наработки водорода, необходимого для функционирования ЭХГ, а выработка электроэнергии и водорода начинается в водоактивируемом химическом источнике тока одновременно с заполнением его емкости нейтральным водным раствором электролита (или морской водой), что обеспечивает практически мгновенную готовность ЭУ к приему частичной нагрузки и быстрый выход на номинальный режим. Исходные компоненты водоактивируемого химического источника тока (растворимый металлический анод, инертный каталитический катод и нейтральный водный раствор электролита) полностью безопасны и хранятся на борту ПА в готовом для применения виде.

Учитывая вышеизложенное, предлагаемая энергетическая установка подводного аппарата является более безопасной, имеет меньшую массу и стоимость, а также меньшее время готовности к работе.