УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ, СОДЕРЖАЩЕЕ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
DEVICE WITH FUEL ELEMENT FOR ELECTRIC ENERGY GENERATION FOR SUBMARINE

Областью изобретения являются подводные лодки, более конкретно, подводные лодки, содержащие устройство для производства электроэнергии типа устройств с топливным элементом.
В настоящее время известны разные типы топливных элементов.
Для применения на борту подводной лодки в настоящее время предусматривается использование бортовой системы получения водорода путем риформинга углеводорода, объединенной с топливным элементом, работающим при низкой температуре. Документ GB 2250130A раскрывает такой элемент, функционирующий при низкой температуре.
Такое устройство для получения электроэнергии имеет множество недостатков, связанных, в частности, с ограничениями, обусловленными размещением в подводной лодке. Так, хранение и снабжение газообразным кислородом и углеводородным топливом, необходимыми для работы элемента, имеет, например, такие сложности, как использование нескольких последовательных химических реакторов, соответствующими рабочими параметрами которых сложно управлять.
В частности, риформинг на входе элемента требует применения особой каталитической горелки, способной дать энергию, необходимую для реакции. Эта горелка работает на кислороде. Однако так как автономность подводной лодки ограничена количеством кислорода, которое можно взять на борт, кислород, использующийся горелкой риформинга, снижает автономность подводной лодки.
Кроме того, время пуска устройства, соответствующее времени, необходимому для установления окислительно-восстановительных реакций внутри элемента, большое.
Наконец, теоретические мощности, которых можно достичь с такими элементами, остаются низкими, во всяком случае несовместимыми с мощностями, необходимыми для движения подводной лодки.
Поэтому целью изобретения является предложить устройство для производства электроэнергии типа устройств с топливным элементом, предназначенное для оборудования подводной лодки и позволяющее смягчить указанные выше недостатки, в частности, позволяющее получить высокие мощности, имеющее улучшенные рабочие характеристики, в частности, что касается автономности, и одновременно содержащее уменьшенное число единиц основного оборудования.
Для этого объектом изобретения является подводная лодка, содержащая устройство для производства электроэнергии, включающее в себя топливный элемент, средства подачи газообразного кислорода, средства подачи углеводородного топлива и средства отвода отработавших газов. Подводная лодка отличается тем, что топливный элемент является элементом с внутренним риформингом, работающим при высокой температуре и высоком давлении, причем рабочее давление элемента больше или равно давлению погружения подводной лодки, тем, что средства подачи газообразного кислорода и средства подачи углеводородного топлива выполнены с возможностью подавать газообразный кислород и углеводородное топливо под давлением, адаптированным к рабочему давлению, чтобы газообразный кислород и углеводородное топливо могли нагнетаться непосредственно в элемент, и тем, что средства отвода отработавших газов способны отводить отработавшие газы наружу подводной лодки, находящейся в погружении.
В соответствии с частными вариантами изобретения подводная лодка имеет одну или несколько из следующих характеристик, взятых по отдельности или в любых технически возможных комбинациях:
- средства отвода отработавших газов содержат линию отведения отработавших газов, снабженную клапаном регулировки давления, позволяющим поддерживать рабочее давление выше давления погружения;
- средства отвода отработавших газов содержат, кроме того, заднюю горелку, соединенную на входе, с одной стороны, с катодом топливного элемента, а с другой стороны, с анодом топливного элемента, и соединенную на выходе с клапаном регулировки давления;
- средства отвода отработавших газов содержат, кроме того, устройство рекуперации тепловой энергии отработавших газов;
- устройство рекуперации тепловой энергии отработавших газов представляет собой вспомогательный контур, содержащий парогенератор, паровую турбину, соединенную с генератором переменного тока, конденсатор пара и рециркуляционный насос, причем парогенератор соединен с линией отведения отработавших газов;
- средства подачи газообразного кислорода содержат кислородный резервуар, способный содержать чистый кислород в жидкой фазе;
- средства подачи газообразного кислорода содержат испаритель, способный генерировать газообразный кислород для снабжения топливного элемента, и насос, способный вводить жидкий кислород в испаритель под давлением, адаптированным к рабочему давлению;
- средства подачи углеводородного топлива содержат резервуар с углеводородом и насос, способный вводить углеводородное топливо в топливный элемент под рабочим давлением;
- средства подачи углеводородного топлива содержат, кроме того, заднюю горелку, установленную между насосом и топливным элементом, причем задняя горелка снабжается окислителем топлива через ответвление средств подачи газообразного кислорода, причем задняя горелка образует систему предварительного нагрева углеводородного топлива.
- по меньшей мере, топливный элемент размещен в камере, устойчивой к высоким давлениям, давление внутри которой поддерживается на уровне рабочего давления топливного элемента;
- рабочее давление топливного элемента больше или равно 10 бар, предпочтительно больше или равно давлению максимального погружения подводной лодки.
Объектом изобретения является также устройство для производства электроэнергии для подводной лодки, типа устройства, содержащего топливный элемент, средства подачи газообразного кислорода, средства подачи углеводородного топлива и средства отвода отработавших газов. Это устройство отличается тем, что топливный элемент является элементом с внутренним риформингом, работающим при высокой температуре и высоком давлении, причем рабочее давление элемента больше или равно давлению погружения подводной лодки, тем, что средства подачи газообразного кислорода и средства подачи углеводородного топлива способны подводить газообразный кислород и углеводородное топливо под давлением, адаптированным к рабочему давлению, чтобы вводить газообразный кислород и углеводородное топливо непосредственно в элемент, и тем, чтосредства отвода отработавших газов способны отводить отработавшие газы наружу подводной лодки, когда подводная лодка находится в погружении.
Изобретение и его преимущества станут более понятными при изучении следующего описания, приводимого исключительно в качестве примера и даваемого с обращением к приложенным чертежам, на которых:
- фиг. 1 дает схематическое изображение подводной лодки согласно изобретению;
- фиг. 2 дает схематическое изображение одного варианта осуществления элемента с внутренним риформингом, применяемого в устройстве для производства электроэнергии с фигуры 1;
- фиг. 3 показывает устройство для производства электроэнергии с фиг. 1;
- фиг. 4 показывает один вариант осуществления устройства для производства электроэнергии с фиг. 1, и
- фиг. 5 показывает один вариант осуществления устройства для производства электроэнергии с фиг. 1.
Фиг. 1 схематически показывает подводную лодку 2, оборудованную устройством 4 для производства электроэнергии, способным подавать электроэнергию. Предпочтительно устройство 4 для производства электроэнергии питает, в частности, двигатель (не показан), от которого работает двигательная система 6 подводной лодки 2, и создает достаточную мощность, чтобы привести в работу эту двигательную систему 6.
Устройство 4 для производства электроэнергии содержит элемент 24, который представляет собой топливный элемент с внутренним риформингом, работающий при высокой температуре и высоком давлении.
Рабочая температура элемента составляет от 800° до 1000°C, предпочтительно порядка 950°C.
0
0
0max
0max
Рабочее давление P топливного элемента больше или равно давлению погружения P, которое оказывает морская вода на корпус подводной лодки и которое зависит от глубины погружения подводной лодки. Подводная лодка 2 сконструирована так, чтобы выдерживать давления погружения P меньше или равные давлению максимального погружения P. Рабочее давление P топливного элемента предпочтительно выше давления максимального погружения P и в любом случае выше 10 бар.
В предлагаемом теперь варианте осуществления, показанном на фигуре 2, элемент 24 содержит периодическую компоновку по существу плоских камер.
Фиг. 2 показывает один период этой компоновки, расположенный между двумя плоскостями P и P'. Этот период содержит с той и другой стороны плоскости симметрии A, камеры циркуляции кислорода 301, 301', катоды 302, 302', мембраны-электролиты 304, 304', аноды 305, 305', камеры циркуляции риформата 306, 306', разделительные перегородки 307, 307', камеры циркуляции углеводородного топлива 308, 308' и среднюю каталитическую стенку 309.
Мембрана-электролит 304, соответственно 304', представляет собой пористую мембрану, отделяющую катод от анода 28, позволяя ионный обмен между ними.
Средняя каталитическая стенка 309 сделана из материала, способствующего риформингу. Таким материалом является, например, никель.
Горючая углеводородная смесь и водяной пар нагнетаются прямо в циркуляционные камеры 308 и 308', находящиеся между двумя разделительными перегородками 307 и 307', и движутся вдоль средней каталитической стенки 309. Условия по температуре и давлению таковы, чтобы осуществлялась реакция парового риформинга.
Паровой риформинг (SMR, от английского "SteaM Reforming"), представляющий собой реакцию риформинга, дающую лучшую степень превращения, является эндотермической каталитической реакцией, которая производит водород в результате реакции углеводорода с водой. Например, если углеводород является метаном, реакция следующая:
4
2
2
CH+HO->CO+3H
Продукты этой реакции риформинга, или риформаты, приводятся в конвективное движение и циркулируют в элементе 24. Они достигают камер циркуляции риформата 306 и 306'.
Затем идут окислительно-восстановительные реакции, которые создают тепло и электрический ток, проходящий между каждой парой анод/катод 302-305 и 302'-305'.
Сторона мембраны-электролита 304, соответственно 304', обращенная к средней каталитической стенке 309, снабжена выступами 310, соответственно 310', контактирующими с находящейся напротив разделительной перегородкой 307, соответственно 307'. Выступы образуют тепловые мостики, которые передают теплоту окислительно-восстановительных реакций камерам циркуляции углеводородного топлива 308, 308' чтобы теплота, произведенная окислительно-восстановительными реакциями, давала тепло, необходимое для поддержания реакций риформинга, которые являются эндотермическими реакциями.
Следует отметить, что реакции риформинга и окислительно-восстановительные реакции проводятся при близких температурах.
Таким образом, преимуществом элемента с внутренним риформингом является то, что он позволяет оптимизировать управление тепловыми потоками. В частности, для работы в установившемся режиме больше не нужны дополнительные нагревательные средства реактора риформинга, такие как горелка, потребляющая кислород.
Элемент с внутренним риформингом выгоден также тем, что он позволяет отказаться от средств риформинга и очистки, которые согласно уровню техники устанавливаются выше и снаружи элемента. Следовательно, устройство, использующее элемент с внутренним риформингом, занимает меньше места.
Обратимся снова к фиг. 1, согласно которой устройство 4 для производства электроэнергии содержит камеру 8, внутри которой установлен элемент 24. Камера 8 является стойкой к давлению и поддерживается при внутреннем давлении, равном рабочему давлению P элемента 24. Такая конструкция позволяет вмещать элемент 24 и повысить безопасность устройства для производства электроэнергии, установленного на борту подводной лодки.
На входе топливного элемента устройство 4 для производства электроэнергии содержит средства подачи газообразного кислорода, указанные позицией 11, и средства подачи углеводородного топлива, указанные позицией 15.
На выходе камеры 8 устройство 4 для производства электроэнергии содержит средства отвода отходящих потоков, произведенных топливным элементом, обозначенные позицией 20. Средства 20 отвода отходящих потоков позволяют вывести побочные продукты химических реакций, которые идут в элементе 24, наружу подводной лодки 2, непосредственно в море, в любой момент ее погружения. Таким образом, не требуется предусматривать средства хранения отходящих потоков внутри подводной лодки, в отличие от устройств согласно уровню техники.
Поэтому топливный элемент должен иметь рабочее давление выше давления погружения подводной лодки, чтобы создавать отходящие потоки под давлением выше давления воды снаружи подводной лодки, без необходимости повышать давление этих потоков, например, с помощью компрессора.
Фиг. 3 иллюстрирует в деталях устройство 4 для производства электроэнергии согласно изобретению.
На этой фигуре дано схематическое представление элемента 24, установленного в камере 8 высокого давления, показывающее катод 26, образующий положительный полюс генератора электрического тока, анод 28, образующий отрицательный полюс генератора электрического тока.
На входе элемента 24 средства 11 подачи газообразного кислорода содержат резервуар 12, способный вмещать жидкий кислород, и линию 13, связывающую резервуар 12 с катодом 26 элемента 24. Линия 13 оборудована насосом 14 и испарителем 32, установленными последовательно. Насос 14 повышает давление жидкого кислорода, доставленного из резервуара 12, чтобы ввести его в испаритель 32, где царит давление, равное рабочему давлению P топливного элемента 24. Испаритель 32 позволяет испарить, передавая ему подходящее количество теплоты, жидкий кислород, вводимый насосом 14, чтобы снабжать катод 26 кислородом в газообразном состоянии.
2
Используемый жидкий кислород представляет собой молекулярный кислород O, предпочтительно чистый молекулярный кислород.
Преимуществом питания топливного элемента из резервуара с жидким кислородом посредством насоса, который вводит жидкий кислород в испаритель при повышенном давлении, является меньший расход энергии, чем при перекачке газа при обычном давлении, в целях повысить давление кислорода до давления, царящего внутри камеры.
На входе топливного элемента 24 средства 15 подачи углеводородного топлива содержат резервуар с углеводородным топливом 16 и линию 17, соединяющий резервуар 16 с анодом 28 топливного элемента 24. Линия 17 оборудована насосом 18, позволяющим повысить давление углеводородного топлива, подаваемого из резервуара 16, чтобы ввести его прямо на уровне анода 28, где царит давление, равное рабочему давлению P топливного элемента.
n
m
n
m
p
Углеводородное топливо представляет собой углеводород или смесь углеводородов общей формулы CH или CHO.
0
На выходе топливного элемента 24 средства 20 отвода отходящих потоков содержат заднюю горелку 36, соединенную на входе через первую линию 34 с катодом 26 элемента 24 и через вторую линию 35 с анодом 28 элемента 24. Задняя горелка 36 соединена на выходе через отводящую линию 21 с устьем, расположенным на корпусе подводной лодки 2 и открывающимся наружу нее. Отводящая линия 21 снабжена клапаном 22 регулировки давления, чтобы можно было поддерживать рабочее давление в элементе 24 выше давления погружения P, контролируя скорость потока отработавших газов.
Теперь будет описана работа устройства 4 для производства электроэнергии на подводной лодке 2.
Насос 14 средств 11 подачи газообразного кислорода приводится в действие, чтобы доставить некоторое количество жидкого кислорода из резервуара 12 в испаритель 32, где это количество кислорода подвергается фазовому превращению. Затем газообразный кислород вводится в катод 26.
Параллельно запускается насос 18 средств подачи углеводородного топлива, чтобы подвести некоторое количество углеводородного топлива из резервуара 16 непосредственно в элемент 24.
Внутри элемента 24 протекает первая стадия парового риформинга углеводородного топлива. Она становится возможной благодаря высокой рабочей температуре, порядка 950°C. На этой первой реакционной стадии углеводородное топливо преобразуется согласно следующей химической реакции:
m
n
2
2
CH+mHO->mCO+(m+n/2) H
Полученная смесь, богатая молекулярным водородом, подвергается второй стадии окислительно-восстановительного процесса согласно следующим уравнениям реакций:
2
2
2
2
2
H+ЅO->HO и CO+ЅO->CO.
Часть воды, произведенной на второй стадии окислительно-восстановительного процесса, используется на первой стадии парового риформинга. Таким образом, устройство 4 для производства электроэнергии является автономным по воде.
Отходящие потоки, отводимые из элемента 24, вводят в заднюю горелку 36. Продукты сгорания этих потоков отводят из горелки 36 при рабочем давлении P топливного элемента и выбрасывают через клапан 22 регулировки давления в морскую воду снаружи погруженной подводной лодки 2.
В устройстве, которое только что было описано, испаритель 32 и задняя горелка 36 установлены в камере 8 под давлением.
Как вариант, задняя горелка 36 установлена снаружи камеры 8, и/или испаритель 32 установлен снаружи камеры 8.
Чтобы инициировать химические реакции, которые должны идти в элементе 24, устройство для производства электроэнергии должно запускаться с помощью системы предварительного нагрева углеводородного топлива. После того, как элемент будет включен, предварительный нагрев топлива больше не нужен. В устройстве, которое только что было представлено, система предварительного нагрева является внешней по отношению к устройству 4 для производства электроэнергии. Она находится либо на пристани, либо установлена на борту подводной лодки 2.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 4, система предварительного нагрева встроена в устройство для производства электроэнергии, чтобы сделать работу этого устройства при пуске автономной.
Согласно этому варианту средства 115 подачи углеводородного топлива в устройстве 104 для производства электроэнергии содержат переднюю горелку 50 в качестве системы предварительного нагрева. Передняя горелка 50 установлена параллельно линии 117 контура 17 подвода углеводородного топлива между насосом 18 и анодом 28. Первый и второй клапаны 52 и 54 позволяют соединить или отсоединить переднюю горелку 50 от линии 117. Когда первый и второй клапаны 52 и 54 открыты, часть потока углеводородного топлива, подводимого насосом 18, циркулирует в передней горелке 50.
Передняя горелка 50 снабжается окислителем топлива по линии 56, являющейся ответвлением линии 13 подачи газообразного кислорода. Передняя горелка 50 находится на выходе испарителя 32. Линия 56 содержит третий клапан 58, позволяющий, когда он открыт, снабжать переднюю горелку 50 кислородом в газообразной форме.
Передняя горелка 50 применяется только при пуске устройства 104 для производства электроэнергии, чтобы осуществить предварительный нагрев оборудования, используемого в химических реакциях, которые должны идти на уровне топливного элемента 24. После инициирования химических реакций клапаны 52, 54 и 58 закрывают, чтобы изолировать переднюю горелку 50 от линий питания 13 и 17. Подача углеводородного топлива производится тогда непосредственно из резервуара 16 с углеводородным топливом на анод 28 насосом 18 по линии 117.
Для этого варианта устройства для производства электроэнергии можно предусмотреть различные альтернативы. В частности, передняя горелка 50 может быть установлена снаружи камеры 8.
Фиг. 5 показывает один вариант устройства для производства электроэнергии с фиг. 1. В этом варианте, независимо от предыдущих, топливный элемент и его средства подачи такие же, как в других вариантах осуществления, но средства 220 отвода отходящих потоков из устройства 204 для производства электроэнергии содержат, кроме того, средство рекуперации тепловой энергии. Действительно, для повышения кпд устройства для производства электроэнергии выгодно повторно использовать часть тепловой энергии отработавших газов, так как они имеют температуру около 950°C на выходе из элемента 24 и задней горелки.
Средство рекуперации тепловой энергии образовано вспомогательным контуром 60. Вспомогательный контур 60 содержит парогенератор 62, паровую турбину 64, конденсатор пара 66 и рециркуляционный насос 68 для среды, циркулирующей во вспомогательном контуре 60.
Как и в предыдущих вариантах осуществления, контур 21 отвода газа содержит клапан 22 регулировки давления, позволяющий поддерживать давление на входе выше давления, установившегося внутри подводной лодки.
Парогенератор 62 соединен с контуром 21 отвода отработавших газов в качестве основной контура, доставляющего тепло, необходимое для испарения жидкости вспомогательного контура 60.
Как и в предыдущих вариантах осуществления, контур 21 отвода газа содержит клапан 22 регулировки давления, позволяющий поддерживать давление на входе выше давления, установившегося внутри подводной лодки.
Паровая турбина 64 соединена с генератором переменного тока 70, создающим дополнительную электроэнергию.
Дополнительная электроэнергия, обеспечиваемая вспомогательным контуром 60, может составлять порядка 15% от полной электроэнергии, создаваемой устройством 204 для производства электроэнергии, которое, таким образом, имеет повышенный суммарный кпд, который может доходить до примерно 65%.
Применение парогенератора 62 позволяет сохранить потенциал давления отработавших газов, извлекая часть их тепловой энергии. Таким образом, сохраняется возможность выбрасывать отработавшие газы прямо в море.
Устройство для производства электроэнергии согласно изобретению обеспечивает значительные электрические мощности. При соответствующем определении размеров такое устройство для производства электроэнергии может стать совместимым с использованием в качестве источника электроэнергии для питания двигательной системы подводной лодки.
Применение топливного элемента, работающего при высокой температуре, позволяет осуществить реакции риформинга прямо внутри элемента. Кроме того, этот элемент намного менее чувствителен к загрязнениям, чем элементы, работающие при низкой температуре, так что для введения водорода может использоваться множество видов топлива. Применение топливного элемента, работающего при высоком давлении, позволяет выбрасывать стоки прямо в морскую воду.