ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
POWER PLANT WITH ELECTROCHEMICAL GENERATOR BASED ON HYDROGEN-OXYGEN FUEL ELEMENTS AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к энергоустановкам с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) и может быть использовано при производстве и эксплуатации указанных энергоустановок.
Аналогом предлагаемого изобретения может служить энергоустановка (ЭУ) с электрохимическим генератором (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, описанная в (Н.В.Коровин. «Электрохимические генераторы». М.: Энергия. 1974 г., стр.93). Указанная ЭУ с ЭХГ содержит батарею топливных элементов (БТЭ) с контуром теплоносителя, включающим теплообменник для подогрева батареи топливных элементов. Это связано с тем, что во всех случаях для того чтобы топливные элементы заработали (и могли бы работать при минимальной нагрузке), необходим нагреватель, питающийся от постороннего источника энергии, для того чтобы обеспечить прогрев БТЭ до рабочей температуры. В противном случае электрохимические процессы в БТЭ будут протекать слишком медленно, и ЭХГ не будет способен выдавать электроэнергию. При минимальной выделяемой мощности он вообще может выйти из строя, так как при низких температурах окружающей среды удаление продуктов реакции практически невозможно (произойдет затопление ТЭ). В связи с этим способ эксплуатации аналогичных ЭУ заключается в том, что в случаях когда температура батареи топливных элементов находится (или падает) ниже рабочей температуры, осуществляют разогрев батареи до рабочей температуры нагревателем, питающимся от постороннего источника энергии.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является энергоустановка с ЭХГ на основе кислородно-водородных топливных элементов, которая является прототипом. Эта ЭУ с ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов состоит из батареи топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода с трубопроводами для подачи водорода и кислорода в электрохимический генератор, контура циркуляции электролита с насосом и теплообменником нагрева батареи топливных элементов, датчика температуры батареи топливных элементов и блока управления работой электрохимического генератора (Патент РФ №2280924 от 27.07.2006, МПК: Н01М 8/04 (2006.01), Н01М 8/06 (2006.01)). Эксплуатация указанной ЭУ заключается в следующем: в период запуска ЭХГ от постороннего источника энергии включают насос контура циркуляции теплоносителя, включают нагреватель теплообменника, входящего в контур циркуляции теплоносителя. В результате проведенных операций нагревают БТЭ до минимальной рабочей температуры, после чего включают клапаны подачи водорода и кислорода в ЭХГ, в результате чего ЭХГ начнет выдавать электроэнергию в заданном количестве, с выделением тепла, необходимого для испарения образовавшейся воды. В периоды минимальной выделяемой мощности ЭХГ и при низких температурах окружающей среды, когда удаление продуктов реакции (воды) затруднено из-за нехватки тепла для испарения, включают (от постороннего источника электроэнергии) нагреватель теплообменника, входящего в контур циркуляции теплоносителя, нагревая БТЭ до минимальной рабочей температуры.
Недостатками указанной ЭУ с ЭХГ и способа ее эксплуатации являются:
- длительное время запуска ЭХГ;
- низкая надежность включения ЭХГ и его работоспособность при низких температурах окружающей среды;
- невозможность запуска ЭХГ при отсутствии дополнительных источников энергии.
Задачей изобретения является повышение надежности эксплуатации ЭУ.
Техническим результатом является:
- повышение надежности включения и работоспособности ЭХГ при низких температурах окружающей среды;
- обеспечение возможности запуска ЭХГ без дополнительных посторонних источников энергии за счет использования небольшой части химической энергии рабочих газов.
Указанный технический результат достигается тем, что в энергоустановку с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов, включающую батарею топливных элементов, системы подачи водорода и кислорода с трубопроводами для подачи водорода и кислорода в батарею топливных элементов электрохимического генератора, датчик температуры батареи топливных элементов, а также блок управления, введены 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.
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 осуществляют за счет нагревания рабочих компонентов - водорода и кислорода, подаваемых в батарею топливных элементов, при этом нагревание рабочих компонентов осуществляют подачей в каждый из указанных компонентов примеси другого компонента и каталитическим сжиганием полученных таким образом водородно-кислородных смесей.
При этом способе эксплуатации технический результат достигается также и тем, что взаимные примеси водорода и кислорода, подаваемых в батарею топливных элементов, добавляют в количестве, не превышающем нижний предел воспламенения водородно-кислородных смесей.
Сущность изобретения заключается в следующем. Тепло, полученное при взаимодействии газов - водорода и кислорода, подается непосредственно в батарею ТЭ, и нагрев батареи происходит не снаружи, а изнутри. В этом случае мембраны и катализаторы элементов прогреваются в первую очередь и довольно быстро, поскольку толщина их мала. Благодаря этому батарея ТЭ может выйти на номинальный режим работы еще до того, как прогреется весь ЭХГ.
Использование химической энергии газов для получения тепла на стадии запуска и в периоды минимальной выделяемой мощности ЭХГ и при низких температурах окружающей среды, когда удаление продуктов реакции затруднено из-за нехватки тепла для испарения, позволит сделать эксплуатацию ЭХГ практически независимой от внешних источников энергии (кроме включения команд на начало работы). При этом малость взаимных добавок кислорода и водорода обеспечивает пожаровзрывобезопасность работы ЭУ с ЭХГ.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлена принципиальная пневмогидравлическая схема заявленной энергоустановки с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов.
Заявленная энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов содержит электрохимический генератор 1 с батареей топливных элементов 2, систему подачи водорода 3, систему подачи кислорода 4, трубопровод 5 подачи водорода в батарею топливных элементов 2 электрохимического генератора 1. На трубопроводе 5 последовательно установлены каталитический дожигатель 6 и датчик температуры 7. На трубопроводе 8 подачи кислорода в батарею топливных элементов 2 электрохимического генератора 1 последовательно установлены каталитический дожигатель 9 и датчик температуры 10. На трубопроводе 11, который предназначен для подачи кислорода в каталитический дожигатель 6, установлены электроклапан 12 и дроссель 13. На трубопроводе 14, который предназначен для подачи водорода в каталитический дожигатель 9, установлены электроклапан 15 и дроссель 16. Блок управления 17 с датчиком температуры 18 необходимы для управления работой электрохимического генератора 1.
Энергоустановка с ЭХГ 1 на основе водородно-кислородных топливных элементов 2 работает следующим образом. В начальный момент включается блок управления 17 и проверяется готовность к работе всех элементов энергоустановки, измеряется температура ЭХГ датчиком температуры 18. В процессе запуска (начало работы), независимо от температуры окружающей среды, включаются системы подачи водорода 3 и подачи кислорода 4, и по трубопроводам 5, 8 рабочие компоненты - водород и кислород поступают в батарею топливных элементов 2 ЭХГ 1. Одновременно включаются клапаны 12, 15, и по трубопроводам 11, 14 компоненты поступают через дроссели 13, 16 в каталитические дожигатели 6, 9. Дожигатели 6 и 9 выполнены в виде реактора с пористым платиносодержащим катализатором, на котором происходит каталитическая реакция кислорода и водорода с образованием водородно-кислородной смеси. При этом содержание кислорода, поступающего в каталитический дожигатель 6, не превышает 3%, что достигается с помощью дросселя 13. Это позволяет исключить возможность воспламенения газов в линии подачи водорода. После дожигателя 6 водород с небольшим содержанием паров воды поступает в водородную полость топливных элементов и нагревает мембраны и катализаторы элементов со стороны водородной полости. Поскольку толщина их мала, выход на рабочий режим ЭХГ значительно сокращается (это можно судить по вольт-амперной характеристике). Температура водорода на входе в батарею топливных элементов 2 ЭХГ 1 контролируется датчиком 7. Для равномерного прогрева ТЭ нагрев обеспечивают не только водородной полости ТЭ, но одновременно и кислородной. Это достигается аналогичным образом за счет каталитического дожигателя 9. При этом содержание водорода, поступающего в дожигатель 9, не превышает 3%, что достигается за счет дросселя 16. Это позволяет исключить возможность воспламенения газов и в линии подачи кислорода. После дожигателя 9 кислород с небольшим содержанием паров воды поступает в кислородную полость ТЭ и нагревает мембраны и катализаторы элементов со стороны кислородной полости. Температура кислорода на входе в ЭХГ контролируется датчиком 10. Повышение температуры до рабочего уровня (например, до ~90°С) фиксируется датчиком температуры 18. Сигналы с датчиков температуры 7, 10, 18 поступают на блок управления работой ЭХГ 17, который управляет работой клапанов 12 и 15. Эти клапаны перекрываются, если:
- возникает нештатная ситуация и температура газов на входе в ЭХГ превышает максимально допустимое значение;
- при нормальной работе ЭХГ, когда температура батареи ТЭ достигает своего рабочего уровня.
Эти клапаны открываются, если температура батареи ТЭ падает ниже своего рабочего уровня.
Таким образом, предложенным изобретением решается задача повышения надежности, исключается пожаровзрывоопасная ситуация и обеспечивается быстрый выход энергоустановки на рабочий режим.