ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ РАБОТЫ В ТОННЕЛЯХ

Полезная модель относится к вагонам с автономным источником энергии, а именно к вагонам с энергетической установкой на топливных элементах для питания электрооборудования и тяговых двигателей подвижного состава железнодорожного транспорта и может быть использовано для питания путевой техники при проведении ремонтных работ в тоннелях.
Известен турбопоезд, описанный в заявке RU 2007102735 А, 27.07.2008 - прототип.
Турбопоезд выполнен с автономным питанием в виде гибридной энергоустановки по схеме топливные элементы + газовая турбина, и содержит элементы секции автономного питания, расположенные в контейнере, включая электрохимический генератор, газотурбинную секцию, инвертор тока и вспомогательные системы.
В известном устройстве не раскрыта конструкция энергетической установки на топливных элементах, а указанно лишь на возможность расположения энергоустановки на железнодорожной платформе. В устройстве используется высокотемпературный электрохимический генератор, имеющий слишком большие габариты и работающий при температуре выше 650°С. Высокая коррозионная активность электролита сокращает ресурс работы электродов и конструкционных материалов. Высокие температуры требуют решения ряда конструкционных проблем, как, например, совместимость используемых материалов при температурном расширении. Элементы конструкции высокотемпературных топливных элементов имеют относительно толстые стенки трубок из электролита, необходимые для придания им механической прочности, и, как следствие, обладают высоким сопротивлением, что увеличивает внутренние энергопотери и создает проблемы коммутации единичных элементов. В процессе работы характеристики высокотемпературных топливных элементов постепенно ухудшаются, что обусловлено дезактивацией и износом, катализаторов, коррозией основ электродов, изменением структуры электродов и другими причинами. Ухудшение характеристик топливных элементов ограничивает срок их службы. На настоящее время мощность единичных модулей высокотемпературных топливных элементов и энергоустановок на их основе одна из наименьших.
Технический результат, который может быть получен от использования заявленной полезной модели заключается в повышении КПД, повышении способности к перегрузкам, уменьшении расхода топлива на «холостом» ходу, сокращении количества ремонтов и увеличении межремонтных периодов за счет отсутствия изнашиваемых движущихся деталей, бесшумности рабочего процесса и повышении экологической чистоты за счет отсутствия вредных выхлопов.
Указанный технический результат, достигается тем, что энергетическая установка на топливных элементах, включающая в себя корпус, состоящий из элементов общей сборки, в котором установлены последовательно включенные электрохимические генераторы, предназначенные для выработки электроэнергии в процессе электрохимического взаимодействия водорода и кислорода, и вспомогательные устройства, содержит аппаратный отсек, в котором установлено электронное оборудование, и вспомогательные устройства, включающие в себя контур терморегулирования электрохимического генератора, предназначенный для отвода от него тепла во внешний контур охлаждения, блок дожигания водорода, предназначенный для каталитического сжигания водорода при продувках батарей на топливных элементах, входящих в состав электрохимического генератора, блок сброса дренажного кислорода, предназначенный для вывода из электрохимического генератора кислорода при продувках батарей на топливных элементах, емкость для сбора реакционной воды, предназначенная для сбора продуктов реакций, проходящих внутри топливных элементов, две аккумуляторные батареи, предназначенные для запуска электрохимического генератора, питания потребителей параллельно с электрохимическом генератором при пиковых нагрузках и питания вспомогательных устройств, редуктор водородный, предназначенный для снижения давления водорода на входе в электрохимический генератор, редуктор кислородный, предназначенный для снижения давления кислорода на входе в электрохимический генератор, два редуктора азотных, предназначенных для снижения давления азота на входах топливной и дренажной его магистралях, баллонов для хранения сжатого водорода, баллонов для хранения сжатого кислорода и двух баллонов для хранения сжатого азота, причем все упомянутые баллоны соединены с электрохимическим генератором через соответствующие редукторы.
Энергетическая установка, характеризующаяся тем, что содержит четыре электрохимических генератора.
Энергетическая установка, характеризующаяся тем, что размещена в вагоне железнодорожного состава.
Использование водорода в качестве топлива на транспортных средствах позволяет значительно повысить КПД силовых установок за счет непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, минуя малоэффективные процессы сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания. Для прямого преобразования химической энергии в электрическую созданы электрохимические генераторы на топливных элементах.
Заявляемая энергетическая установка поясняется на фиг.1 и 2, где на фиг 1. представлен общий вид вагона с энергетической установкой на топливных элементах, а на фиг.2 - приведена пневмогидравлическая схема вагона с энергетической установкой на топливных элементах.
Вагон с энергетической установкой на топливных элементах содержит четыре последовательно включенных ЭХГ 1, например, типа «Фотон», контур терморегулирования 2 ЭХГ, блок дожигания водорода 3, блок сброса дренажного кислорода 4, емкость для сбора реакционной воды 5, баллоны для хранения сжатого водорода 6, баллоны для хранения сжатого кислорода 7, два баллона для хранения сжатого азота 8, аппаратный отсек 9 в котором установлена электронная система управления, две аккумуляторные батареи 10, редуктор водородный 11, редуктор кислородный 12, два редуктора азотных 13, корпус 14, состоящий из элементов общей сборки.
Устройство работает следующим образом. Запуск энергетической установки на топливных элементах производится замыканием тумблера «Пуск» на пульте управления. Дальнейшие действия система контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах производит автоматически. Компьютер через USB-порт обменивается сигналами с коммутатором сигналов и команд ЭХГ и коммутатором сигналов и команд вспомогательного оборудования. Коммутатор сигналов и команд ЭХГ, осуществляет управление ЭХГ, а также получает, обрабатывает и передает информацию с датчиков внутреннего контроля параметров ЭХГ в компьютер. Коммутатор сигналов и команд вспомогательного оборудования, при помощи блока IGBT транзисторов, осуществляет управление вспомогательными устройствами, а также получает, обрабатывает и передает информацию с датчиков контроля вспомогательных устройств в компьютер. В случае отклонения от заданного режима программа прекращает запуск и переходит к процедуре аварийной остановки с выдачей сигнала "Авария".
Согласно предварительным стендовым испытаниям и расчетам, средний эксплуатационный КПД энергоустановок с электрохимическим генератором на топливных элементах составляет около 60%. Остаточным продуктом реакции, проходящей в электрохимическом генераторе, является дистиллированная вода, что делает эти установки экологически безопасными и таким образом, в заявленном решении обеспечивается достижение заявленного технического результата.