ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ВОДЫ И ТЕПЛА ИЗ ЗОНЫ РЕАКЦИИ БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ELECTROCHEMICAL GENERATOR BASED ON HYDROGEN-OXYGEN FUEL CELLS AND METHOD FOR REMOVAL OF WATER AND HEAT FROM FUEL ELEMENTS BATTERY REACTION ZONE

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.
Значительное распространение в народном хозяйстве получили ЭХГ, в которых удаление воды и тепла из зоны реакции происходит за счет циркуляции электролита. Электролит нагревается в зоне реакции соединения водорода с кислородом и поглощает воду, после чего охлаждается в регенераторе электролита статического типа в результате испарения избыточной воды. Циркуляция электролита значительно облегчает поддержание баланса воды и тепла в зоне реакции соединения водорода с кислородом (Н.В.Коровин. «Электрохимические генераторы». Москва, «Энергия», 1974 г., стр.106-109, 118-121). Однако циркулирующий электролит выдвигает необходимость решения вопросов, связанных с шунтированием ТЭ по электролиту (токи утечки по электролиту, газовыделение и перенос массы и т.д.) (Н.С.Лидоренко, Г.Ф.Мучник. «Электрохимические генераторы». Москва, Энергоиздат, 1982 г., стр.220-222).
Регулирование температурно-влажностного режима в таких ЭХГ производится в теплообменниках, включенных во внутренний контур охлаждения. Конденсация избыточной влаги происходит на теплообменных поверхностях и за счет соответствующего охлаждения водорода. Сконденсированная влага с помощью специальных насосов откачивается либо в сборник конденсата, либо в систему регенерации воды.
В ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ и в способе удаления воды и тепла из зоны реакции топливных элементов, взятых за прототип, отсутствует проблема закорачивания ТЭ по электролиту (С.А.Подшивалов, Э.И.Иванов и др. «Энергетические установки космических аппаратов». Москва, Энергоиздат, 1981 г., стр.40-42).
ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов, взятый за прототип, состоит из контура сброса тепла с датчиком температуры и последовательно соединенными насосом и радиатором, батареи топливных элементов с трубопроводами подачи водорода и кислорода, с шинами выхода электричества, с клапаном сброса воды и системы управления и контроля ЭХГ, а также контура прокачки водорода, включающего компрессор (вентилятор), выход которого соединен с трубопроводом входа водорода в батарею топливных элементов, а вход - с выходом водорода из центрифуги-сепаратора с верхним и нижним сигнализаторами уровня влаги.
ЭХГ работает следующим образом. В контуре прокачки водорода за счет непрерывной циркуляции водорода осуществляется отвод от ТЭ водяных паров и тепла. Далее поток пароводородной смеси поступает в водородный теплообменник-регенератор, который передает часть выделяющегося в ТЭ тепла газообразному водороду для поддержания требуемой температуры батареи ТЭ. После чего пароводородная смесь поступает в конденсатор, где тепло отдается теплоносителю, причем результирующее понижение температуры вызывает конденсацию водяных паров воды, а также охлаждение воды и водорода. Приводимая в действие электродвигателем центрифуга-сепаратор отделяет жидкую воду и отводит ее в бак для сбора воды. Охлажденный «сухой» водород затем снова перекачивается к батарее ТЭ с помощью вентилятора. Тепло, отданное в конденсаторе теплоносителю, выводится с его помощью к панелям холодильника-излучателя.
Таким образом, способ удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов (С.А.Подшивалов, Э.И.Иванов и др. «Энергетические установки космических аппаратов». Москва, Эпергоиздат, 1981 г., стр.40-42) заключается в следующем. Подают водород и кислород в батарею топливных элементов. Водород, выходящий из зоны реакции батареи топливных элементов, нагревается и насыщается парами воды за счет химического соединения водорода с кислородом в зоне реакции. Полученную пароводородную смесь охлаждают до температуры окружающей среды. Отделяют сконденсированную воду от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов.
Недостатком известного ЭХГ и способа, реализующего удаление воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов, является сложность удаления воды и тепла, связанная с тем, что процесс охлаждения воды требует дополнительных затрат электроэнергии (так как водород вместе с паровородной смесью поступает в зону реакции охлажденным до температуры окружающей среды).
Известен способ регулирования влагосодержания в водородно-кислородном аккумуляторе (патент RU 2081478, 10.06.1997, МПК 6 Н01М 8/18, Н01М 8/04), включающий подачу водорода и кислорода в батарею топливных элементов, продувку водородом топливных элементов, выход пароводородной смеси из зоны реакции батареи топливных элементов, охлаждение полученной пароводородной смеси до температуры конденсации пара путем впрыскивания воды, охлажденной до температуры окружающей среды, с расходом, определяемым выражением:
ТЭ
где G - расход охлаждающей воды, кг/с; n - число ячеек топливных элементов; I - ток на клеммах электрохимического генератора, A; Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К, с образованием пароводяной смеси с водородом, отделение сконденсированной воды от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов, удаление воды.
Данный способ принят за прототип.
Недостатком способа является дополнительный расход воды, так как происходит удаление воды, образовавшейся в результате химической реакции в батарее топливных элементов, и воды, необходимой для сброса тепла из зоны реакции.
Задачей изобретения является повышение эффективности процесса удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов (непрерывность процесса удаления тепла и воды, образовавшейся в результате химической реакции).
Технический результат заключается в том, что предлагаемое изобретение позволяет:
- снизить энергозатраты за счет подачи водорода в батарею топливных элементов, разогретых до температуры конденсации паров воды;
- увеличить надежность и ресурс ЭХГ, так как агрегаты постоянно работают в условиях без резких перепадов температуры, обеспечивая при этом непрерывное удаление конечных продуктов токообразующей реакции.
Технический результат достигается за счет того, что электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов содержит контур сброса тепла с датчиком температуры и насосом, выход которого соединен с входом радиатора-излучателя, батарею топливных элементов с трубопроводами подвода водорода и кислорода, с шинами выхода электричества, с клапаном сброса воды, систему управления и контроля электрохимического генератора, контур прокачки водорода, включающий вентилятор, выход которого соединен с трубопроводом подачи водорода в батарею топливных элементов, а вход - с выходом водорода из центрифуги-сепаратора сигнализаторами уровня влаги, в него введен смеситель по водороду и воде с штуцерами входа воды, входа водорода и выхода смеси водорода и воды из батареи топливных элементов, при этом на штуцере входа водорода в смеситель по водороду и воде установлен датчик температуры, а выход из центрифуги-сепаратора по воде подсоединен к входу насоса, выход из радиатора подсоединен к входу воды смесителя по воде и водороду, вход смеси водорода с водой соединен с входом в центрифугу-сепаратор, причем клапан сброса воды подключен к контуру съема тепла, а сигналы от датчиков температуры и сигнализаторов уровня влаги связаны с входом в систему управления и контроля электрохимического генератора, выходы из которой связаны с насосом и клапаном сброса воды.
Технический результат достигается также за счет того, что в способе удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов, включающем подачу водорода и кислорода к батарею топливных элементов, продувку водородом топливных элементов, выход пароводородной смеси из зоны реакции батареи топливных элементов, охлаждение полученной пароводородной смеси до температуры конденсации пара путем впрыскивания воды, охлажденной до температуры окружающей среды, с расходом, определяемым выражением: ,
ТЭ
где G - расход охлаждающей воды, кг/с; n - число ячеек топливных элементов; I - ток на клеммах электрохимического генератора, A; Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К, с образованием пароводяной смеси с водородом, отделение сконденсированной воды от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов, удаление воды, при этом перед охлаждением пароводяной смеси с водородом отделяют сконденсированную воду из полученной смеси, при этом сконденсированную воду охлаждают до температуры окружающей среды, из сконденсированной воды удаляют воду, образовавшуюся в зоне реакции батареи топливных элементов, а оставшуюся часть воды смешивают с пароводородной смесью, выходящей из батареи топливных элементов.
Сущность изобретения заключается в том, что пароводородную смесь, образованную в зоне реакции батареи топливных элементов с температурой 98°С, охлаждают количеством воды, определяемым по формуле (1). При этом происходит конденсация пара и образование воды с температурой 90-95°С, а также охлаждение водорода до температуры 90-95°С. Эту образовавшуюся пароводяную смесь с водородом направляют в центрифугу-сепаратор, где горячая вода отделяется от водорода, затем водород поступает в батарею топливных элементов, а горячая вода, образовавшаяся как в результате химической реакции, так и необходимая для охлаждения (сброса) тепла, накапливается в центрифуге-сепараторе. Уровень воды в центрифуге меняется за счет количества образовавшейся воды в зоне реакции батареи топливных элементов. По мере изменения уровня воды, образовавшейся в результате химической реакции, ее удаляют из зоны реакции батареи топливных элементов и охлаждают до температуры окружающей среды.
Экспериментальным путем подтверждено, что постоянное влагосодержение и съем тепла при длительной работе в период резкой смены нагрузки происходит при расходе воды, определяемом по формуле (1).
-5
min
max
min
max
max
min
Коэффициент регулирования расхода ((5,1-5,3)·10) обеспечивается автоматически, за счет того, что ЭХГ работает только в определенном диапазоне, выдаваемом заказчику, электрической мощности от N до N (например, N=1 кВт, a N=10 кВт). При N выделяется больше тепла и паров воды, в связи с чем повышается температура на выходе из батареи ТЭ, измеряемая датчиком температуры 9, что увеличивает разность температур, измеряемых датчиками 9 и 10. По сигналу увеличения разности температур увеличивается производительность насоса 2, обеспечивая максимальный расход воды, что приводит к снижению температуры воды, выходящей из радиатора-излучателя 3 до заданного уровня, и, следовательно, к снижению температуры сконденсированной воды, поступающей в смеситель по водороду и воде 5, тоже до заданного значения. При N количество тепла и паров воды уменьшается, в связи с чем понижается температура на выходе из батареи ТЭ, измеряемая датчиком температуры 9, что уменьшает разность температур, измеряемых датчиками 9 и 10. По сигналу уменьшения разности температур уменьшается производительность насоса 2, обеспечивая минимальный расход воды, что приводит к повышению температуры воды, выходящей из радиатора 3, до заданного уровня и, следовательно, к повышению температуры воды, поступающей в смеситель 5, тоже до заданного уровня. При оптимальной заранее заданной постоянной электрической мощности, выделяемой потребителю ЭХГ, и конкретной тоже постоянной температуре на выходе из радиатора-излучателя 3 расход охлаждающей воды определяется по формуле:
где G - расход охлаждающей воды, кг/с;
I - ток, который выдает потребителю батарея ТЭ (ток на клеммах ЭХГ), А;
ТЭ
n - количество ячеек ТЭ;
Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К.
2
1
2
1
min
max
-2
-2
-2
Так например, в ЭХГ, состоящем из 30-ти топливных ячеек, при постоянной разности температур Δt=t-t=70°С (t - температура в зоне реакции, равная 98°С, t - температура на выходе радиатора-излучателя, равная 28°С) и работающем при N=1 кВт (I=150 А), расход охлаждающей воды, определяемый по формуле (1), равен 0,38·10 кг/с, а при N=10 кВт (I=1000 А), когда выделяется большее количество тепла и паров воды, расход охлаждающей воды, определяемый по формуле (1), равен 2,36·10 кг/с. При оптимальной, заранее заданной постоянной электрической мощности, выдаваемой потребителю ЭХГ (например, N=5 кВт, I=500 А), и постоянной разнице температур расход охлаждающей воды, определяемый по формуле (2), равен 1,18·10 кг/с.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена принципиальная пневмогидросхема электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов, где
1 - контур сброса тепла;
2 - насос с переменной производительностью;
3 - радиатор-излучатель;
4 - клапан сброса воды;
5 - смеситель по водороду и воде;
6 - батарея топливных элементов;
7 - вентилятор;
8 - центрифуга-сепаратор;
9, 10 - датчики температуры;
11, 12 - сигнализаторы влаги;
13 - шины батареи топливных элементов;
14 - система управления и контроля ЭХГ;
15 - трубопровод подачи кислорода;
16 - трубопровод подачи водорода.
Электрохимический генератор состоит из контура сброса тепла 1, включающего последовательно соединенные между собой насос с переменной производительностью 2 и радиатор-излучатель 3. К контуру сброса тепла подсоединен клапан сброса воды 4. Вход в насос 2 соединен с выходом по воде из центрифуги-сепаратора 8, выход насоса 2 соединен с входом радиатора-излучателя 3, а выход из радиатора-излучателя 3 подсоединен к входу смесителя по водороду и воде 5. Другой вход смесителя по водороду и воде 5 соединен с выходом водорода из батареи топливных элементов 6. Вход трубопровода водорода 16 в батарею топливных элементов 6 соединен с выходом вентилятора 7, вход которого соединен с выходом водорода из центрифуги-сепаратора 8. Центрифуга-сепаратор 8 снабжена двумя сигнализаторами влаги 11, 12, которые соединены с входом системы управления и контроля ЭХГ 14, а выходы из системы управления и контроля ЭХГ 14 связаны с насосом и клапаном сброса воды 4.
Трубопровод подачи кислорода 15 и трубопровод подачи водорода 16 подсоединены к батарее топливных элементов 6, а на входе в смеситель по водороду и воде 5 установлен датчик температуры 9. На выходе из радиатора 3 установлен датчик температуры 10. На шинах батареи топливных элементов 13 установлена система управления и контроля ЭХГ 14.
ЭХГ работает следующим образом. В батарею топливных элементов 6 по трубопроводу подачи кислорода 15 поступает кислород, а по трубопроводу подачи водорода 16 - водород. К трубопроводу подачи водорода 16 подсоединен вентилятор 7. В результате химической реакции соединения водорода с кислородом в батарее топливных элементов 6 в зоне реакции образуются пары воды и тепло. Зона реакции постоянно продувается водородом с помощью вентилятора 7, поэтому на выходе из батареи топливных элементов 6 датчик температуры 9 всегда будет показывать температуру, находящуюся в заданных пределах в зависимости от расхода водорода. Горячий и влажный водород поступает в смеситель по водороду и воде 5, где смешивается с холодной водой, поступающей из контура сброса тепла 1 и охлажденной в радиаторе-излучателе 3. Температура холодной воды, поступающей из радиатора-излучателя 3, измеряется датчиком температуры 10 и находится в заданных пределах благодаря тому, что расход воды регулируется насосом с переменной производительностью 2. Водород, охлажденный до температуры конденсации пара, то есть с каплями конденсата горячей воды, из смесителя по водороду и воде 5 поступает в центрифугу-сепаратор 8, где разделяется на воду и водород, который с помощью вентилятора 7 вновь поступает в батарею топливных элементов 6, а вода из центрифуги-сепаратора 8 насосом 2 подается в радиатор-излучатель 3. В центрифуге-сепараторе 8 установлены сигнализаторы влаги 11 и 12, по сигналу которых открывается (по сигнализатору влаги 11) или закрывается (по сигнализатору влаги 12) клапан сброса воды 4. Управление клапаном сброса 4 и производительностью насоса 2 по показаниям датчиков температуры 9 и 10 проводится системой управления и контроля ЭХГ 14, установленной на шинах батареи топливных элементов 13.