ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
POWER PLANT WITH ELECTROCHEMICAL GENERATOR BASED ON HYDROGEN-OXYGEN FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к энергетическому оборудованию с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) и может быть использовано для получения электрической энергии как в стационарных установках, так и на транспорте, а также при производстве и эксплуатации энергоустановок.
Аналогом предлагаемого изобретения может служить энергетическая установка (ЭУ) с ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ (В.Н. Коровин. Электрохимические генераторы, М.: Энергия, 1974 г., стр. 93), которая содержит системы подачи кислорода и водорода, батарею ТЭ с контуром теплоносителя, включающим теплообменник для подогрева батареи ТЭ. Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке, связанная с посторонним специальным источником энергии для обеспечения надежной ее эксплуатации.
Известна энергетическая установка ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащая батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита (патент США 3935028, кл. Н01М 8/04, 1976). Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке, связанная со сливом, заправкой и разогревом электролита.
Известна ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащая батарею топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода с трубопроводами для подачи водорода и кислорода в ЭХГ, контур циркуляции электролита с насосом и теплообменником нагрева батареи ТЭ, датчик температуры батареи ТЭ и блок управления работой ЭХГ (патент РФ №2280924 от 27.07.2006). Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке при низких температурах окружающей среды, связанная с отсутствием дополнительных источников энергии.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов (прототип), содержащая батареи топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода с трубопроводами для подачи водорода и кислорода в батарею топливных элементов, датчик температуры батареи топливных элементов, а также блок управления, каталитические дожигатели и датчики температуры, последовательно установленные соответственно на трубопроводах подачи кислорода и водорода на входе в батарею топливных элементов электрохимического генератора, трубопровод подачи водорода в каталитический дожигатель, установленный на трубопроводе подачи кислорода в батарею топливных элементов с дросселем и клапаном, соединенный с трубопроводом подачи водорода в батарею топливных элементов, и трубопровод подачи кислорода в каталитический дожигатель, установленный на трубопроводе подачи водорода в батарею топливных элементов с дросселем и клапаном, соединенный с трубопроводом подачи кислорода в батарею топливных элементов (патент РФ №2417487).
Недостатком данной ЭУ с ЭХГ является сложность ее эксплуатации при запуске и остановке, связанная с отсутствием контроля утечек водорода из системы хранения и подачи водорода, а также возможностью накопления в каталитических дожигателях взрывоопасной водородно-кислородной смеси.
Технической задачей изобретения является: устранение проблемы водородной безопасности в соответствии со стандартом EN 60079-10 за счет исключения хранения водорода (водород вырабатывается после запуска и в процессе работы энергетической установки) и обеспечение пожаровзрывобезопасности работы ЭУ с ЭХГ, снижение металлоемкости энергетической установки, за счет введения турбонасосной системы подачи компонентов для получения водорода и кислорода, повышение надежности работы и запуска ЭХГ без дополнительных посторонних источников энергии за счет использования теплоты получаемых парогазовых смесей водорода и кислорода.
Указанный технический результат достигается тем, что в энергоустановку с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащую батарею топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода по трубопроводам в батарею топливных элементов, датчик температуры батареи топливных элементов, а также блок управления, введены насосная система подачи компонентов получения кислорода и водорода, содержащая турбонасосный агрегат с каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода, бак с перекисью водорода, бак с водной суспензией алюминия, бак с водным раствором едкого натра, реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия, и система вытеснения подаваемых компонентов.
Кроме того, энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов может быть снабжена компрессорной системой вытеснения подаваемых компонентов из бака перекиси водорода, из бака водного раствора едкого натра и бака водной суспензии алюминия.
Кроме того, энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов может быть снабжена дополнительным каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода для системы вытеснения подаваемых компонентов из бака перекиси водорода, из бака водного раствора едкого натра и бака водной суспензии алюминия
Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации энергоустановки с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, заключающемся в разогреве до рабочей температуры батареи топливных элементов, разогрев осуществляется за счет теплоты парогазовой смеси водорода и парогазовой смеси кислорода.
Сущность изобретения заключается в следующем. Кислород и водород получают непосредственно в процессе работы ЭУ с ЭХГ. Кислород получают в каталитическом газогенераторе разложения перекиси водорода, водород получают в реакционным сосуде гидролиза твердого реагента - алюминия, при этом подачу компонентов в каталитический газогенератор и реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия - обеспечивает турбонасосный агрегат. В каталитическом газогенераторе разложения и реакционном сосуде гидролиза твердого реагента - алюминия получают парогазовые смеси со значительным содержанием теплоты, которую используют для подогрева топливного элемента.
Предлагаемая ЭУ с ЭХГ схематично представлена на рисунке и содержит батарею топливных элементов 1, магистраль подвода кислородно-паровой смеси 2, пуско-отсечные клапаны 3, бак с водным раствором едкого натра 4, обратные клапаны 5, бак с водной суспензией алюминия 6, систему вытеснения 7, которая может выполнена компрессорной или с дополнительным каталитическим газогенератором разложения перекиси водорода, редуктор давления 8, бак с перекисью водорода 9, каталитический газогенератор разложения перекиси водорода 10, турбонасосный агрегат 11, магистраль подачи водного раствора едкого натра 12, магистраль подачи водной суспензии алюминия 13, бак с продуктами гидролиза 14, магистраль отвода продуктов гидролиза 15, реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия 16, магистраль подвода водородно-паровой смеси 17, датчик температуры 18 и блок управления 19.
ЭУ с ЭХГ работает следующим образом. Блок управления 19 запускает систему вытеснения 7 (компрессор или дополнительный каталитический газогенератор разложения перекиси водорода) и пусковые клапаны 3, через редукторы 8 газ поступает в баки 4, 6, 9, запускается каталитический газогенератор разложения перекиси водорода 10, кислородно-паровая смесь поступает в газовую турбину турбонасосного агрегата (ТНА) 11, насосы ТНА подают водный раствор едкого натра по магистрали 12 и водную суспензию алюминия по магистрали 13 в реакционный сосуд гидролиза твердого реагента - алюминия 16, из которого по магистрали 17 водородно-паровая смесь подается в батарею топливных элементов 1, а по магистрали 15 отводятся продукты гидролиза в бак 14. Контроль температуры в топливном элементе 1 осуществляется датчиком температуры 18. При останове ЭУ с ЭХГ по команде от блока управления 19 срабатывают отсечные клапаны 3. Все операции пуска, контроля температуры и останова осуществляются блоком управления 19.