МОДУЛЬНАЯ МОНОБЛОЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ ПОДВОДНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к энергетическим установкам, содержащим батареи с водородо-кислородными топливными элементами с обслуживающими системами и может быть использована при создании энергоустановок для подводных аппаратов, прежде всего, для необитаемых глубоководных аппаратов.
Известны аналоги энергетических установок на топливных элементах для подводных аппаратов, в которых функции входящих в энергоустановку систем и оборудования строго регламентированы, а само оборудование располагается в индивидуальных корпусах, которые в свою очередь располагаются внутри прочного корпуса подводного аппарата (А.А. Постнов «Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами», Санкт-Петербург, Судостроение, 1998, 2, с. 28).
x
х
Это с точки зрения удельной мощности, удельной энергоемкости, массо-габаритных характеристик и цены, как правило, не оптимально, особенно для аппаратов с малым оперативным временем одного цикла использования. В этом случае удельные показатели энергоустановки определяются не запасами топлива и окислителя, а массогабаритными показателями оборудования энергоустановки. В области низких энергоемкостей они, как правило, равны или даже уступают удельным показателям лучших образцов химических источников тока (ХИТ) и аккумуляторов, значения которых достигают 80-100 Втч/л (Втч/кг).
Наиболее близкой по технической сути и принятой за прототип является энергетическая установка подводного аппарата (пат. РФ №2184408 от 27.06.2002). Энергетическая установка, содержащая электрохимические генераторы с водородно-кислородным топливными элементами, электрическим оборудованием, в которой все составные части устройства, в том числе и криогенные емкости для хранения водорода и кислорода, установлены в отдельных герметичных выгородках.
Указанное техническое решение имеет ряд существенных недостатков, к основным из которых относятся:
- наличие криогенных емкостей для хранения водорода и кислорода.
Это требует наличия дополнительного оборудования для их газификации, что приводит к усложнению конструкции энергоустановки, увеличению ее массы и габаритов, увеличению ее стоимости;
- агрегаты и оборудование энергетической установки, включающей криогенные емкости хранения водорода и кислорода с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкости сбора реакционной воды, агрегаты контура охлаждения энергетической установки установлены в отдельных герметичных выгородках, при этом все герметичные выгородки расположены внутри герметичного корпуса, что приводит к увеличению габаритов и массы энергетической установки.
Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции энергоустановки, снижение массогабаритных показателей энергоустановки с топливными элементами для подводного аппарата, использующей водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, уменьшение ее стоимости.
Техническим результатом заявляемого технического решения является создание энергоустановки на топливных элементах для подводного аппарата, превосходящей в разы (до 2,5 раз) по удельным характеристикам аккумуляторы и ХИТ, даже при их использовании в зоне низких энергоемкостей.
Технический результат достигается за счет того, что в модульной моноблочной энергетической установке на топливных элементах для подводного аппарата, содержащая газообразные реагенты водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, батареи топливных элементов с обслуживающими и вспомогательными системами, отличающаяся тем, что размещение газообразных реагентов происходит непосредственно в капсуле подводного аппарата, разделенной газонепроницаемой оболочкой на внутренний объем корпуса (капсулы), заполненную одним из реагентов и с размещенными в нем обслуживающими и вспомогательными системами, и газонепронизаемую выгородку заполненную вторым из реагентов и введенный в нее сильфон, поддерживающий равенство давлений водорода и кислорода.
А также батарея топливных элементов помещена в легкий, исключающий попадание влаги и выполненный из полимерных материалов, кожух.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом фиг. 1, на котором представлена модульная моноблочная энергетическая установка на топливных элементах для подводного аппарата, где:
1 - Корпус (капсула) подводного аппарата;
2 - Газонепроницаемая выгородка;
3 - Газонепроницаемая оболочка;
4 - Сильфон;
5 - Батарея топливных элементов
6 - Внутренний объем корпуса (капсулы) подводного аппарата;
7 - Кожух батареи топливных элементов;
8 - Теплообменник.
Остальные элементы энергетической установки, включающие системы подготовки и подачи водорода и кислорода, системы сбора и отвода электроэнергии, тепла, продуктов реакции, системы контроля, управления и защиты, системы рециркуляции кислорода и водорода на фигурах не показаны.
Технический результат достигается упрощением конструкции энергоустановки за счет моноблочной компоновки оборудования с частичным совмещением функции элементов энергоустановки и отказа от использования прочных корпусных конструкций (баллонов) для хранения каждого газообразного реагента в индивидуальных корпусах и размещением этих корпусов в прочном корпусе капсулы подводного аппарата.
Модульная моноблочная энергетическая установка на топливных элементах для подводного аппарата состоит из: прочного стального корпуса (капсулы) подводного аппарата 1 рассчитанного на высокие наружное и внутреннее давление, внутри корпус (капсула) 1 разделен газонепроницаемой оболочкой 3 на внутренний объем корпуса (капсулы) подводного аппарата 6 и газонепроницаемую выгородку 2. Внутренний объем корпуса (капсулы) 6 заполнен одним из реагентов (водородом или кислородом), второй реагент (кислород или водород, соответственно) размещается в газонепроницаемой выгородке 2 с газонепроницаемой оболочкой 3. При этом стенки газонепроницаемой оболочки 3 разгружены, т.к. давления газообразных реагентов (кислорода и водорода) равны, а равенство давлений с высокой точностью поддерживается сильфоном 4. Все оборудование энергетической установки (вспомогательные и обслуживающие системы на фиг. 1 не показаны), включая батарею топливных элементов 5, размещается непосредственно во внутреннем объеме корпуса (капсулы) 6, при этом батарея топливных элементов 5 защищена легким, исключающим попадание влаги, кожухом 7. Кожух 7 выполнен из полимерных материалов. Батарея топливных элементов 5 находится в разгруженном состоянии, так как оба реагента (кислород и водород) имеют одинаковое давление, которое одинаково снижается по мере использования реагентов с максимального, например 60 МПа, до минимального установленного по условиям эксплуатации, например до 0,2-0,5 МПа. Охлаждение батареи топливных элементов 5 осуществлено принудительным протоком охлаждающей среды (водорода, воды) через топливные элементы, последующая передача тепла в окружающее пространство производится через стенку корпуса (капсулы) подводного аппарата 1 с использованием теплообменника 8. Сбор образующейся в результате электрохимической реакции топлива и окислителя воды производится во внутренний объем капсулы, частично вытесняя газ, что, в конечном итоге, компенсируется перемещением сильфона 4.
Рабочий процесс в модульной моноблочной энергетической установке на топливных элементах для подводного аппарата осуществляется следующим образом. Водород и кислород поступают в батарею топливных элементов 5, соответственно, из внутреннего объема прочной капсулы подводного аппарата 6 и ее газонепроницаемой выгородки для хранения кислорода 2. Образующаяся в результате электрохимической реакции вода поступает во внутренний объем корпуса (капсулы) подводного аппарата 6. Избыточное тепло, снятое с батареи топливных элементов 5 принудительным потоком охлаждающей среды, передается в окружающее водное пространство через стенку корпуса (капсулы) подводного аппарата 1 с помощью теплообменника 8. Равенство давлений водорода и кислорода, поступающих для реакции в батарею топливных элементов 5, поддерживается сильфоном 4 за счет перемещения своей гофрированной части. Для защиты от влаги батарея топливных элементов 5 помещена в защитный влагонепроницаемый кожух из полимерных материалов 7.
х
х
x
Таким образом, благодаря предлагаемому техническому решению за счет моноблочной компоновки оборудования с частичным совмещением функций элементов энергоустановки и отказа от использования прочных корпусных конструкций (баллонов) для хранения каждого газообразного реагента в индивидуальных корпусах и размещения этих корпусов в прочном корпусе капсулы подводного аппарата, достигается упрощение конструкции энергоустановки, снижение массогабаритных показателей энергоустановки с топливными элементами для подводного аппарата, использующей водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, уменьшение ее стоимости, а также достигается увеличение удельной энергоемкости установки до 250 Втч/л (Втч/кг) по сравнению с лучшими химическими источниками тока и аккумуляторами, обеспечивающими не более 100 Втч/л.