ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ВОДОРОДОВОЗДУШНЫМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ

Полезная модель относится к энергетике и может использоваться в стационарных и транспортных энергоустановках (ЭУ), включающих в свой состав электрохимические генераторы (ЭХГ), использующие в качестве компонентов топлива водород и воздух.
Известен генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, перепускная емкость, сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, магистраль наддува, магистраль жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по высоте столба жидкого реагента, реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а реакционный сосуд размещен внутри, контейнер с твердым реагентом выполнен в виде нескольких пластин твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верхней части пластины книзу, и дополнительно введены компрессор, вакуумный насос, пять электроуправляемых клапанов, датчик давления, блок управления с программным блоком, причем магистраль наддува соединена через второй электроуправляемый клапан с выходом компрессора, через третий электроуправляемый клапан со входом вакуумного насоса и атмосферной линией, на которой установлен первый электроуправляемый клапан, четвертый электроуправляемый клапан установлен на линии вывода водорода, пятый электроуправляемый клапан установлен на магистрали подачи жидкого реагента, а датчик давления установлен на магистрали наддува и соединен через блок управления с программным блоком, который управляет работой компрессора, вакуумного насоса и всеми пятью электроуправляемыми клапанами. [Патент РФ №65040, МПК С01В 3/01 В, авторы Носырев Д.Я., Балакин Д.С.«Генератор водорода»].
Недостатком аналога является отсутствие «мягкой» расходной характеристики, стабилизации режима и необходимого быстродействия.
Известна энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащая электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи, систему подачи воздуха и систему управления, в состав энергоустановки введена, по крайней мере, одна теплоизолированная емкость с жидкими продуктами гидролиза, гидравлически соединенная с генератором водорода магистралью с отсечным клапаном и снабженная сливным клапаном, дренажным клапаном и датчиком уровня жидкости, при этом выход системы подачи воздуха магистралью с разделительным клапаном подключен к нижней части емкости с жидкими продуктами гидролиза, вход электрохимического генератора по воздуху пневматически сообщен с воздушной подушкой этой емкости, а все клапаны и датчик уровня жидкости подключены к системе управления энергоустановки. [Патент РФ №2291524, МПК Н01М 8/06, авторы Глухих И.Н., Челяев В.Ф., Щербаков А.Н. «Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором»].
Недостатком энергоустановки является отсутствие «мягкой» расходной характеристики, стабилизации режима и необходимого быстродействия.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является обеспечение «мягкой» расходной характеристики, повышение стабилизации режима и быстродействия.
Технический результат достигается тем, что в энергоустановку с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащую электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом, имеющий магистраль выдачи водорода, на которой установлен влагоотделитель, накопитель водорода и электроуправляемый клапан, магистраль подачи жидкого реагента, состоящую из емкости с концентрированным раствором щелочи, смесителя и двух электроуправляемых клапанов, магистраль слива воды, соединенную со смесителем, на которой установлены емкость сбора воды с уровнемером, съемная бустерная емкость, дозатор воды и два электроуправляемых клапана, магистраль отвода продуктов реакции, на которой установлены емкость с жидким продуктом гидролиза с уровнемером жидкости и три электроуправляемых клапана, линию подачи воздуха в топливные элементы, на которой установлены компрессор, емкость с жидким продуктом гидролиза и клапан, магистраль наддува, на которой установлены компрессор, вакуум-насос, датчик давления и три электроуправляемых клапана, а на линии выхода воздуха установлен клапан и все электроуправляемые клапаны и датчик уровня жидкости подключены к блоку программного управления, дополнительно введены обогреваемая емкость, шесть электроуправляемых клапанов, расходомер водорода, два устройства для измерения концентрации, три уровнемера, датчик давления, блок обработки и анализа, блок измерения, который последовательно соединен с блоком управления, и насос прокачки отработанного раствора щелочи, смеситель размещен в обогреваемой емкости, которая имеет сброс в канализацию, и в нем установлен первый измеритель концентрации и датчик температуры, а вход смесителя соединен с выходом влагоотделителя, вход обогреваемой емкости соединен с выходом теплообменника охлаждения генератора водорода, бустерная емкость выполнена теплоизолированной, причем вход насоса прокачки отработанного раствора щелочи соединен через третий электроуправляемый клапан с выходом емкости жидкого продукта гидролиза, которая выполнена в нижней части конусообразной и на ее выходе стоит второй электроуправляемый клапан сброса шлама, а на линии сброса воздуха из емкости с жидким продуктом гидролиза стоит первый электроуправляемый клапан, на выходе насоса установлен второй измеритель концентрации отработанного раствора щелочи, а выход насоса прокачки отработанного раствора щелочи соединен через шестой электроуправляемый клапан со сбросом в канализацию и пятый электроуправляемый клапан соединен со входом в смеситель, причем на входе в ЭХГ установлен расходомер водорода, в накопителе водорода установлен датчик давления, а на его выходе установлен четвертый электроуправляемый клапан, причем первый измеритель уровня воды установлен в дозаторе воды, второй измеритель уровня воды установлен в бустерной емкости, а третий измеритель уровня раствора щелочи установлен в реакционном сосуде генератора водорода, первый, второй и третий измерители уровня жидкости, датчик давления, расходомер водорода, измерители концентрации соединены с блоком измерения, а блок программного управления соединен со всеми шестью электроуправляемыми клапанами.
Мягкая расходная характеристика достигается управлением генератором водорода, которое обеспечивается постановкой измерительных приборов, что приводит к стабилизации режима и повышению быстродействия.
На фиг.1 представлена энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором.
Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором состоит из: электрохимического генератора (ЭХГ) - 1, генератора водорода, который включает: реакционный сосуд - 2, перепускную емкость - 3, контейнер с твердым реагентом - 4, теплообменник - 5, пусковые нагреватели - 6, 7, третий измеритель уровня водного раствора щелочи в реакционном сосуде генератора водорода - 8, датчик температуры, установленный в перепускной емкости генератора водорода - 9, системы подачи водорода, которая включает: влагоотделитель - 10, расходомер водорода - 11, накопитель водорода - 12, датчик давления, установленный в накопителе водорода - 13, четвертый электроуправляемый клапан на линии сброса избыточного водорода из накопителя водорода - 14, электроуправляемый клапан на линии подачи водорода в ЭХГ - 15, выхлопной системы, которая включает: емкость бустерную теплоизолированную - 16, съемную бустерную емкость - 17, второй измеритель уровня воды в бустерной емкости - 18, дозатор воды - 19, первый измеритель уровня воды в дозаторе воды - 20, электроуправляемый клапан на линии подачи воды в дозатор воды - 21, электроуправляемый клапан на линии подачи воды в смеситель - 22, системы подачи реагентов, которая включает: смеситель теплоизолированный - 23, первый измеритель концентрации водного раствора щелочи в смесителе - 24, датчик температуры, установленный в смесителе - 25, емкость с насыщенным раствором щелочи - 26, электроуправляемый клапан на линии подачи концентрированного раствора щелочи в смеситель - 27, электроуправляемый клапан на линии подачи щелочного раствора в перепускную емкость генератора водорода - 28, системы отвода продуктов реакции, которая включает: емкость с жидким продуктом гидролиза - 29, насос прокачки отработанного раствора на линии выхода отработанного раствора из емкости с жидким продуктом гидролиза - 30, второй измеритель концентрации отработанного раствора на линии выхода отработанного раствора щелочи из емкости с жидким продуктом гидролиза - 31, измеритель уровня отработанного раствора в емкости с жидким продуктом гидролиза - 32, электроуправляемый клапан на линии выхода отработанного раствора щелочи из перепускной емкости генератора водорода - 33, второй электроуправляемый клапан на линии сброса шлама в канализацию из емкости с жидким продуктом гидролиза - 34, третий электроуправляемый клапан на линии выхода отработанного раствора из емкости с жидким продуктом гидролиза - 35, шестой электроуправляемый клапан на линии сброса отработанного раствора щелочи в канализацию - 36, пятый электроуправляемый клапан на линии подачи отработанного раствора щелочи в смеситель - 37, системы подачи воздуха в ЭХГ, которая включает: компрессор на линии подачи воздуха в емкость с жидким продуктом гидролиза - 38, клапан на линии подачи воздуха в емкость с жидким продуктом гидролиза - 39, первый электроуправляемый клапан на линии сброса воздуха из емкости с жидким продуктом гидролиза - 40, системы регулирования подачи водорода, состоящей из: компрессора - 41, вакуум-насоса - 42, датчика давления на линии подачи воздуха - 43, клапана на линии выхода воздуха из вакуум насоса - 44, электроуправляемого клапана на линии подачи воздуха в вакуум-насос - 45, электроуправляемого клапана на линии выхода воздуха из перепускной емкости генератора водорода - 46, электроуправляемого клапана на линии подачи воздуха в перепускную емкость генератора водорода - 47, блока программного управления - 47, блока обработки и анализа - 48, блока измерения - 50.
Энергоустановка работает следующим образом.
2
На стационарном режиме работы емкость с жидким продуктом гидролиза 29 заполнена отработанным раствором до заданного уровня, который контролируется измерителем уровня отработанного раствора 32. Этот уровень не должен быть излишне большим (чтобы в емкости с жидким продуктом гидролиза 29 сохранялась воздушная подушка) и не может быть слишком малым, поскольку при малой глубине раствора не весь СО успеет в нем поглотиться. Давление в воздушной подушке приблизительно равно давлению на выходе системы подачи воздуха. Первый электроуправляемый клапан 40 на линии сброса воздуха из емкости с жидким продуктом гидролиза 29, второй электроуправляемый клапан 34 на линии сброса шлама в канализацию из емкости с жидким продуктом гидролиза 29, третий электроуправляемый клапан 35 на линии выхода отработанного раствора из емкости с жидким продуктом гидролиза 29 и электроуправляемый клапан 33 на линии выхода отработанного раствора щелочи из перепускной емкости 3 генератора водорода закрыты.
Запускают блок программного управления 48, который связан с блоком обработки и анализа 49 и блоком измерения 50. Блок программного управления 48 открывает электроуправляемый клапан 21 на линии подачи воды в дозатор воды 19 и электроуправляемый клапан 27 на линии подачи концентрированного раствора щелочи в смеситель 23. Через электроуправляемый клапан 27 едкий натрий из емкости с насыщенным раствором щелочи 26 подают в теплоизолированный смеситель 23, а через электроуправляемый клапан 21, находящийся на выходе из теплоизолированной бустерной емкости 16, подается вода в дозатор воды 19. При достижении определенного уровня воды в дозаторе воды 19, который контролируется первым измерителем уровня воды в дозаторе воды 20, электроуправляемый клапан 21 закрывается и открывается электроуправляемый клапан 22, установленный на линии подачи воды в смеситель 23, и вода из дозатора воды 19 попадает в смеситель 23, где смешивается с едким натрием и подогревается теплом с выхода теплообменника. При достижении определенной концентрации раствора едкого натрия в смесителе 23, которая контролируется первым измерителем концентрации 24, закрываются электроуправляемые клапаны 22 и 27 и открывается электроуправляемый клапан 28 на линии подачи щелочного раствора в перепускную емкость генератора водорода 3 и водный раствор щелочи NaOH поступает в перепускную емкость 3, где подогревается пусковыми нагревателями 7 и 6. После достижения необходимой температуры, которая контролируется датчиком температуры 9, установленным в перепускной емкости 3 генератора водорода, жидкий реагент в виде водного раствора щелочи поступает в реакционный сосуд 2. После заполнения реакционного сосуда 2 электроуправляемый клапан 28 закрывают, пусковые нагреватели 6 и 7 отключают.
В реакционном сосуде 2 расположен контейнер с твердым реагентом 4, например алюминием, который выполнен в виде нескольких пластин твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верхней части пластины к низу. В результате контакта жидкого реагента - водного раствора щелочи NaOH с алюминием начинается химическая реакция, в результате которой выделяется водород и тепло. Тепло от водного раствора щелочи NaOH отводится с помощью теплообменника 5.
Получаемый водород из реакционного сосуда 2 поступает во влагоотделитель 10, где он очищается от раствора щелочи, которая направляется в смеситель 23. Из влагоотделителя водород через электроуправляемый клапан 15 на линии подачи водорода в ЭХГ 1 проходит через расходомер 11 и попадает в ЭХГ 1. Одновременно компрессор 38 через клапан 39 на линии подачи воздуха в емкость с жидким продуктом гидролиза 29 подает атмосферный воздух в нижнюю часть теплоизолированной емкости с горячим жидким продуктом гидролиза 29. Проходя через отработанный раствор, воздух теряет содержащийся в нем углекислый газ и попадает в воздушную подушку этой емкости, и далее поступает в ЭХГ 1. При этом наличие небольшого количества щелочи в этом воздухе (как, впрочем, и в водороде) не играет роли, поскольку ЭХГ 1 имеет щелочные ТЭ.
На участке трубопровода между влагоотделителем 10 и электроуправляемым клапаном 15 установлен накопитель водорода 12, давление в котором равно давлению водорода в реакционном сосуде 2 и контролируется датчиком давления 13, установленным в накопителе 12. В случае если давление повышается выше заданного значения, открывается четвертый электроуправляемый клапан 14 на линии сброса избыточного водорода из накопителя водорода 12 и происходит сжигание водорода на свече.
Вода, которая является побочным продуктом работы ЭХГ 1, направляется в теплоизолированную бустерную емкость 16. Уровень воды в теплоизолированной бустерной емкости 16 контролируется вторым измерителем уровня воды 18 и при достижении определенного уровня, вода перетекает в съемную бустерную емкость 17 или в утилизацию, откуда далее может расходоваться на нужды транспортного средства. При заполнении съемной бустерной емкости 17, она заменяется на свободную. Вода из снятой емкости используется на санитарно-бытовые нужды обслуживающего персонала.
После выработки компонентов в реакционном сосуде 2, сливают отработанный раствор из емкости с жидким продуктом гидролиза 29 и наполняют ее свежей и горячей отработкой из реакционного сосуда 2, открывая третий электроуправляемый клапан 35, откуда далее насосом 30 продукты гидролиза направляются в смеситель 23 через пятый электроуправляемый клапан 37. На участке трубопровода между насосом 30 и смесителем 23 установлен второй измеритель концентрации 31, который измеряет концентрацию отработанного раствора. При минимально допустимом значении концентрации натрия в отработанном растворе открывается шестой электроуправляемый клапан 36 и отработанный раствор направляется в канализацию. Разделительный клапан 39 при этом закрыт, и воздух в ЭХГ не поступает. Установка находится в режиме «перезарядки».
Емкость с жидким продуктом гидролиза 29 выполнена конусообразной, в нижней части и имеет отверстие, через которое при открытии второго электроуправляемого клапана 34 удаляется шлам, накопившийся в нижней части емкости 29.
После слива отработки из реакционного сосуда 2 и получения необходимого уровня отработки в емкости с жидким продуктом гидролиза 29 открывают первый электроуправляемый клапан 40, и давление в этой емкости падает до атмосферного. После этого емкость с жидким продуктом гидролиза 29 снова изолируется от атмосферного воздуха и генератора водорода. Последний загружается свежими реагентами, и установка снова готова к работе.
Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала задается определенная концентрация водного раствора щелочи в смесители 23 и задается соответствующая температура, а затем более точно - регулируя высоту водного раствора щелочи в реакционном сосуде 2 при помощи третьего измерителя уровня водного раствора щелочи в реакционном сосуде генератора водорода 8, т.е. глубину погружения в жидкость контейнера с твердом реагентом 4. Последнее достигается изменением давления в перепускной емкости 3, для чего служит датчик давления 43, блок обработки и анализа 49 и блок программного управления 48.
Необходимое давление в перепускной емкости 3 равно:
P=ρ·g·h,
где h - высота водного раствора - разность уровней водного раствора в реакционном сосуде 2 и перепускной емкости 3,
ρ - плотность водного раствора,
g - ускорение свободного падения.
Для изменения режима работы изменяют величину давления в перепускной емкости 3 с помощью компрессора 41 и электроуправляемого клапана 47 на линии подачи воздуха в перепускную емкость генератора водорода или электроуправляемого клапана 46 на линии выхода воздуха из перепускной емкости генератора водорода. При открытии электроуправляемого клапана 46 уровни водного раствора щелочи NaOH в реакционном сосуде 2 и перепускной емкости 3 выравниваются. Для дальнейшего снижения уровня водного раствора в реакционном сосуде 2 закрывают электроуправляемый клапан 45 на линии подачи воздуха в вакуум-насос 42. Вакуум-насос включают и открывают электроуправляемый клапан 45 и устанавливают необходимое разряжение в перепускной емкости 3.
Для остановки генератора водорода создают разряжение в перепускной емкости 3, при котором уровень водного раствора в реакционном сосуде 2 становится ниже уровня расположения контейнера с твердым реагентом 4.
При этом жидкость из реакционного сосуда 2 перетекает в перепускную емкость 3, и твердый реагент оказывается в атмосфере водорода и выделение водорода прекращается.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает глубокую степень регулирования энергоустановки, «мягкую» расходную характеристику и повышенное быстродействие в режиме автостабилизации.