ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ELECTROCHEMICAL GENERATOR BASED ON HYDROGEN-OXYGEN FUEL CELLS

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. Предлагаемый электрохимический генератор получения электрической энергии может быть применен, например, для аварийного энергообеспечения ретранслятора сотовой связи.
Аналогом предлагаемого изобретения может служить ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащий 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 данного ЭХГ является сложность его эксплуатации при запуске и остановке, связанная со сливом, заправкой и разогревом электролита.
Известен ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащий батарею топливных элементов, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и емкостью с электролитом, размещенной под батареей топливных элементов (патент РФ №2245594, кл. Н01М 8/04, 27.01.2005).
Недостатком указанного ЭХГ является сложность его эксплуатации, связанная с необходимостью удаления и сбора капельной жидкости из газовых магистралей батареи топливных элементов.
Известен ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов из двух блоков, каждый из которых состоит из набора модулей топливных элементов фильтпрессной конструкции с внутренними коллекторами водорода, кислорода и электролита, при этом на магистралях соединения блоков по водороду и кислороду установлены влагоотделители с дренажными клапанами, выходы которых соединены с электролитной емкостью, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и электролитной емкостью с датчиком уровня электролита, размещенной под батареей топливных элементов (патент РФ №2280924). Недостатком указанного ЭХГ является сложность его эксплуатации, связанная с отсутствием контроля утечек водорода из системы хранения водорода.
2
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЭХГ для резервного питания электрической энергией ретранслятора мобильной телефонной связи в г. Дордрехт, Голландия, описанной в (С.В. Коробцев. «Безопасность водородной энергетики» / С.В. Коробцев, В.Н. Фатеев // Энергия, экономика, техника, экология. - 2013. №2, стр. 16). Указанный ЭХГ имеет батарею баллонов с кислородом, батарею баллонов с водородом с давлением 200 кг/см, системы подачи водорода и кислорода к батарее топливных элементов, датчик утечки водорода и системы обслуживания и эксплуатации.
Недостатком известного электрохимического генератора для получения электрической энергии является то, что для решения проблемы водородной безопасности в соответствии со стандартом EN 60079-10 необходима значительная площадь отчуждения открытой площадки для размещения энергетической установки, а также сложная система обслуживания по замене водородных баллонов. Это приводит к значительной металлоемкости энергетической установки, к сложности обслуживания и к неизбежному возрастанию эксплуатационных расходов.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении безопасности, снижении металлоемкости и эксплуатационных расходов благодаря исключению баллонной системы подачи водорода. Немаловажным обстоятельством является меньшая площадь отчуждения для размещения энергоустановки и значительное снижение металлоемкости, что и приводит к повышению безопасности и снижению эксплуатационных расходов. Технический результат, возникающий при решении поставленной задачи, состоит в повышении безопасности и эффективности и достигается тем, что электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов, батарею баллонов с кислородом, системы подачи водорода и кислорода, согласно изобретению, снабжен генератором водорода, выполненным в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, первый вход которого соединен трубопроводом с баком водной суспензии алюминия, второй вход соединен с баком водного раствора едкого натра, первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия через систему подачи водорода соединен с первым входом батареи топливных элементов, а второй выход - с баком для сбора водного раствора продуктов гидролиза, второй вход батареи топливных элементов соединен с системой подачи кислорода, подключенной к батарее баллонов с кислородом, при этом входы баков водной суспензии алюминия и водного раствора едкого натра подключены к системе вытеснения.
На рисунке схематично представлено устройство предлагаемого ЭХГ. ЭХГ содержит батарею топливных элементов 1, систему подачи кислорода 2, батарею баллонов с кислородом 3, систему подачи водорода 4, связанную с генератором водорода 5. Генератор водорода выполнен в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, первый вход которого соединен трубопроводом с баком водной суспензии алюминия 6, второй вход соединен с баком водного раствора едкого натра 7, первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия через систему подачи водорода 4 соединен с первым входом батареи топливных элементов 1, а второй выход генератора водорода 5 соединен с баком 8 для сбора водного раствора продуктов гидролиза, второй вход батареи топливных элементов 1 соединен с системой подачи кислорода 2, подключенной к батарее баллонов с кислородом 3, при этом входы баков водной суспензии алюминия 7 и водного раствора едкого натра 6 подключены к системе вытеснения 9 в виде баллона со сжатым газом.
ЭХГ работает следующим образом. Из баллона системы вытеснения 9 сжатый воздух или кислород поступает в систему хранения и подачи водного раствора едкого натра 6 и систему хранения и подачи водной суспензии твердого реагента - алюминия 7, вытесняя их в генератор водорода 5. В результате реакции гидролиза в генераторе водорода 5 образуется жидкий щелочной раствор алюмината натрия, который поступает в систему вывода и сбора водного раствора продуктов гидролиза 8, а полученный водород по системе подачи водорода 4 поступает в батарею топливных элементов 1. Одновременно из батареи баллонов с кислородом 3 по системе подачи кислорода 2 кислород поступает в батарею топливных элементов 1, которые вырабатывают электрическую энергию.