электрохимический генератор и способ его эксплуатации

Формула изобретения

1. Электрохимический генератор, включающий батарею топливных элементов, магистрали топлива и окислителя с клапанами подачи и продувки и хотя бы одну магистраль инертного газа, в которой установлено устройство предотвращения обратного тока газа, отличающийся тем, что устройство предотвращения обратного тока газа выполнено в виде обратного клапана или газового редуктора.

2. Способ эксплуатации электрохимического генератора, состоящий в подаче в основном режиме топлива и окислителя с рабочим давлением в полости батареи топливных элементов и подаче в них инертного газа в режиме останова, отличающийся тем, что подачу инертного газа осуществляют под давлением выше атмосферного, но ниже рабочего в соответствующую полость в случае превышения давлением инертного газа давления топлива (окислителя) в этой полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрогенерирующим устройствам и может быть использовано в энергетических установках с электрохимическими генераторами.

Известные электрохимические генераторы преобразуют подаваемые в них газообразные компоненты - топливо и окислитель, обычно водород и кислород (воздух), в электричество и воду (см., например, Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф., Электрохимические генераторы, М., Энергоиздат, 1982, с.196-204). Они включают в себя батарею топливных элементов (БТЭ) с полостями топлива и окислителя, магистрали подачи компонентов в полости БТЭ, а также магистрали продувки полостей БТЭ. Имеется также магистраль подачи инертного газа с клапаном его подачи.

Способ эксплуатации состоит в том, что топливо и окислитель подаются в БТЭ с помощью электроклапанов, редукторов и других элементов автоматики таким образом, чтобы обеспечить примерно равное давление в топливной и окислительной полостях БТЭ (там же, с.234-241). Это необходимо для уменьшения механических нагрузок на тонкостенные мембраны топливных элементов. По окончании работы в БТЭ подается инертный газ.

Описанные электрохимические генераторы и способ их эксплуатации имеют следующий недостаток. Если при подаче компонентов происходит отказ устройств выравнивания давлений, например самопроизвольное закрытие клапана подачи топлива или окислителя, то из-за расходования этого компонента в соответствующей полости генератора на химическую реакцию происходит падение давления в этой полости и соответственно рост перепада давления между полостями окислителя и горючего. Это может привести к разрушению мембран топливных элементов и выходу генератора из строя. В случае выхода из строя датчика давления или системы управления этот процесс происходит бесконтрольно, что лишает возможности остановить генератор и подать в полости БТЭ инертный газ.

Наиболее близким к предлагаемому является электрохимический генератор и способ его эксплуатации по заявке US 2005/01299992 A1, Н01М 8/04, Jun. 16, 2005,. Он включает батарею топливных элементов, магистрали топлива и окислителя с электрически управляемыми клапанами подачи и продувки и магистраль инертного газа с электрически регулируемым устройством его подачи. Это устройство также предотвращает обратный ток газа в магистрали инертного газа. Способ эксплуатации электрохимического генератора состоит в том, что в основном режиме работы, т.е. при работе генератора на нагрузку, подача топлива и окислителя в полости БТЭ осуществляется при рабочем давлении (или в диапазоне рабочих давлений) путем открытия и закрытия клапанов подачи по сигналам датчиков давления газов в полостях. По окончании работы генератора производится заполнение топливной полости БТЭ инертным газом путем закрытия клапана подачи топлива и открытия клапана подачи инертного газа - азота.

Недостаток этого электрохимического генератора и способа его эксплуатации состоит в возможности повреждения БТЭ в случае отказа системы управления или датчика давления или клапана подачи водорода. Механическое повреждение хотя бы одного топливного элемента в БТЭ приводит к прямому контакту топлива и окислителя, что может вызвать пожар.

Задачей, решаемой предлагаемым электрохимическим генератором и способом его эксплуатации, является повышение надежности и безопасности работы генератора за счет исключения возможности создания опасного перепада давлений между полостями БТЭ при падении давления в одной из полостей.

Технический результат в электрохимическом генераторе, включающем батарею топливных элементов, магистрали топлива и окислителя с клапанами подачи и продувки и хотя бы одну магистраль инертного газа, достигается, в отличие от известного, тем, что устройство предотвращения обратного тока газа выполнено в виде обратного клапана или газового редуктора.

В способе эксплуатации, состоящем в подаче в основном режиме топлива и окислителя с рабочим давлением в полости батареи топливных элементов и подаче в них инертного газа в режиме останова, технический результат достигается тем, что подачу инертного газа осуществляют под давлением выше атмосферного, но ниже рабочего в соответствующую полость в случае превышения давлением инертного газа давления топлива (окислителя) в этой полости.

Схема предлагаемого генератора приведена на чертежах, где:

на фигуре 1 показана схема генератора с двумя независимыми магистралями инертного газа;

на фигуре 2 показан вариант этой схемы с объединенной магистралью инертного газа.

В обоих вариантах генератор включает в себя батарею топливных элементов 1 с полостями горючего 2 и окислителя 3, магистрали топлива 4 и окислителя 5, одну или две магистрали азота 6, клапаны подачи топлива 7 в магистрали топлива и окислителя 8 в магистрали окислителя, клапаны продувки топлива 9 и окислителя 10.

В магистрали инертного газа 6 установлен один или два обратных клапана 11 или (как вариант) газовый редуктор 12.

Работу генератора рассмотрим на примере схемы, приведенной на фигуре 1.

В основном режиме работы генератора топливо, например водород, поступает из магистрали топлива 4 в полость 2 через открытый клапан подачи 7, а окислитель поступает из магистрали 5 в полость 3 через открытый клапан 8. В полостях 2 и 3 топливо и окислитель расходуются на электрохимическую реакцию. Периодически, для очистки полостей 2 и 3 от накапливающихся примесей, открываются клапаны 9 и 10 и производится продувка газов из этих полостей в атмосферу. Давление в магистралях горючего 4 и окислителя 5 поддерживается на заданном рабочем уровне или в заданном рабочем диапазоне. В магистрали инертного газа 6 также поддерживается постоянное давление, причем его величина выбрана выше атмосферного, но ниже рабочего давления топлива и окислителя (ниже нижней границы диапазона рабочего давления). При этом обратный клапан 11 и газовый редуктор 12 закрыты. В случае, если по какой-либо причине давление топлива в полости 2 или окислителя в полости 3 падает ниже уровня давления инертного газа в магистрали 6, обратный клапан 11 или газовый редуктор 12 открывается, и инертный газ заполняет соответствующую полость, предотвращая тем самым создание опасного перепада давлений между полостями 2 и 3 БТЭ 1.

Замена окислителя и (или) топлива на инертный газ производится в двух случаях: при штатном останове электрохимического генератора и при аварийном снижении давления окислителя (или топлива) в соответствующей полости генератора. При штатном останове генератора по команде системы управления перекрываются клапаны 7 и 8. Однако электрохимическая реакция в БТЭ продолжается (даже в случае отключенной внешней электрической цепи всегда имеются внутренние токи утечки), что приводит к расходованию топлива и окислителя и к изменению давления в соответствующих полостях 2 и 3 БТЭ от рабочего давления в сторону уменьшения. Как только давление в какой-либо полости (например, в полости 3 на фиг.1) станет меньше давления инертного газа в магистрали 6, происходит открытие редуктора 12 (или обратного клапана 11) и поступление инертного газа в эту полость. В дальнейшем давление в этой полости будет поддерживаться равным давлению в магистрали азота. Затем по команде системы управления на некоторое время открываются клапаны 9 и 10 и производится продувка остатков топлива и окислителя из полостей 2 и 3. Поскольку при этом клапаны 7 и 8 закрыты, давление в полостях 2 и 3 падает ниже давления в магистрали инертного газа, и обратный клапан 11 и редуктор 12 открыты. Происходит продувка полостей 2 и 3 инертным газом. Затем клапаны 9 и 10 закрываются, происходит окончательное заполнение этих полостей инертным газом из магистрали 6. В этом состоянии производится хранение генератора.

При последующем запуске генератора производят открытие клапанов 7 и 8. Поскольку давление в магистралях топлива 4 и окислителя 5 выше, чем в магистрали инертного газа 6, происходит закрытие обратного клапана 11 и редуктора 12. Затем на некоторое время открывают клапаны 9 и 10 для удаления из полостей 2 и 3 инертного газа и заполнения их топливом и окислителем соответственно. Генератор готов к работе.

Гидравлическое сопротивление продувочных клапанов 9 и 10 выбирают так, чтобы при одновременно открытых клапанах 7, 8, 9 и 10 давление в полостях 2 и 3 не падало ниже, чем давление в магистрали инертного газа 6. В этом случае при продувках в основном режиме работы генератора инертный газ не будет поступать в БТЭ.

В случае аварийного снижении давления окислителя (или топлива) в любой из полостей 2 или 3 ниже давления в магистрали инертного газа 6, происходит открытие обратного клапана 11 или редуктора 12 и поступление инертного газа в ту полость, в которой упало давление.

Редуктор 12 является устройством предотвращения обратного тока газа, т.е. работает как обратный клапан. Он может служить при необходимости и для понижения давления инертного газа. Давление на выходе редуктора (давление настройки редуктора), как и в случае обратного клапана, выбирается ниже рабочего давления топлива или окислителя, но выше атмосферного.

Давление инертного газа ниже рабочего обеспечивает закрытое состояние обратного клапана 11 или редуктора 12 в основном режиме работы генератора. Величину давления в магистрали инертного газа выбирают так, чтобы перепад между минимальным рабочим давлением компонента (в том числе при его продувке) и давлением инертного газа был не меньше давления гарантированного закрытия обратного клапана (газового редуктора). В то же время давление инертного газа должно быть выше атмосферного, чтобы обеспечить возможность его продувки через полости БТЭ в атмосферу при открытых клапанах продувки 9 и 10. Если, например, рабочее давление топлива в БТЭ при закрытом клапане продувки 9 составляет 3 кПа, а при открытом клапане продувки оно снижается до 2 кПа, то диапазон рабочих давлений составляет от 2 до 3 кПа. Допустим, что примененный обратный клапан 11 гарантированно закрывается при перепаде давлений 0,5 кПа. Тогда давление инертного газа в магистрали 6 должно быть не выше 1,5 кПа. Для обеспечения эффективной продувки оно должно быть не ниже 0,5 кПа. Таким образом, давление инертного газа может быть выбрано в диапазоне от 0,5 до 1,5 кПа.

Электрохимический генератор, изображенный на фигуре 2, работает аналогично описанному выше. В нем применена одна магистраль инертного газа 6, которая разделяется на две ветви, в каждой из которых установлены обратные клапаны 11. Вместо обратных клапанов в этих ветвях могут быть установлены газовые редукторы.

Для повышения надежности подачи инертного газа в его магистрали отсутствуют запорные устройства, управляемые электрически или с помощью системы управления. Допускается наличие только ручного вентиля, который перекрывает магистраль при длительном хранении или транспортировке генератора.

Таким образом, в предложенном генераторе в случае падения давления в любой полости БТЭ, эта полость заполняется инертным газом, причем заполнение происходит без участия системы управления или электрически управляемых элементов, что повышает надежность и безопасность генератора.