Энергоустановка подводного применения

 

СОЮЗ СОВЕТСКНХ

СОЦНАЛНСТНЧЕСКНХ РЕСПУБЛНК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) (21) 363691 S/07 (22) 11.07.83 (46) 30.11.93 Бюл. Йя 43 И (71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт источников тока (Ю) SU (11) 1122187 AI (51) 5 Н01М8 64 (72) Журавлев М.И. Зайцев ЮА; Малашенко В.И„

Мороэенков Ю.M.; Станьков ВХ (54) ЭНЕРГОУСТАНОВКА ПОДВОДНОГО ПРИМЕНЕНИЯ (57) 1122187

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к электрохимическим генераторам (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) с гидрофильными пористыми 5 электродами и жидким электролитом, Преимущественной областью использования данного предложения являются необслуживаемые электроустановки подводного применения, имеющие небольшую электрическую мощность (десятки и сотни ватт).

Для обеспечения работоспособности указанных ЭХГ необходимо автоматически поддерживать рабочий перепад давлений на электродах ÒÝ. Данная задача в ЭХГ на- 15 земного применения технически решается использованием регуляторов перепада давления, снижающих давление водорода и кислорода на выходе из системы хранения реагентов до рабочего давления в газовых 2О камерах ТЭ и поддерживающих рабочее давление с требуемой точностью, и использованием устройства, задающего давление электролита ниже рабочего давления водорода и кислорода на величину рабочего пе- 25 репада давления на электродах. например, электролитной емкости, соединенной по электролиту со всеми ТЭ батареи, а по газу-с окружающей атмосферой, Однако решение данной проблемы су- ЭО щественно усложняется в энергоустановках с ЗХГ подводного применения, когда окружающей средой является вода с переменным давлением вследствие изменения глубины (погружение. подъем) или волнения Э5 поьерхности воды. Известны энергоустановки подводного применения с водородно-кислородными ЭХГ. в которых ЗХГ размещен внутри прочного герметичного корпуса. а емкости для хранения реагентов 40 находятся вне указанного корпуса.

В связи с тем что внутри герметичного корпуса сохраняется атмосферное давление, рабочее давление реагентов в батарее

ТЗ поддерживается обычным способом по- 45 средством регуляторов перепада давления, Однако использование герметичного корпуса вызывает необходимость поддержания постоянного давления газа внутри корпуса из-зв наличия газовыделения из ЭХГ и по- 50 ступления внутрь корпуса продувочных газов. Поэтому внутри корпуса размещена специальная система дожигания водорода, конструкцией которой и отличаются указанные энергоустановки. Основным недостат- 5 ком данных. энергоустановок является низкая удельная масса из-за прочного и тяжелого корпуса. Кроме того, наличие системы дожигания водорода значительно успож i«;..- энергоусганов<у, что неприемлемо для необслуживаемых энергоустановок, имеющих небольшую электрическую мощность.

Указанных недостатков лишены энергоустановки разгруженного типа, в которых

ЭХГ размещен в разгруженном корпусе, т.е, давление среды внутри корпуса близко к давлению окружающей воды. Это позволяет использовать легкий корпус, а продувочные газы удалять непосредственно в окружающую воду, Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к изобретению является энергоустановка подводного применения, состоящая из системы хранения и подачи водорода и кислорода с регуляторами перепара давления газа, электрохимического генератора, помещенного в заполненный газом герметичный корпус с клапаном сброса газа, содержащего батарею топливных элементов с гидрофильными пористыми электродами, соединенную входными трубопроводами с регуляторами перепада давления, продувочные агрегаты и емкость электролита.

Для разгрузки корпуса используется азот, который с помощь о регулятора давления подается внутрь корпуса с небольшим избыточным давлением по отношению к давлению окружающей воды. При подьеме энергоустановки избыточное давление азота стравливается посредством клапана сброса. Рабочее давление водорода и кислорода поддерживается соответствующими регуляторами давления, при этом их опорным давлением является давление азота внутри корпуса. При подьеме энергоустановки, когда разность давлений на электродах превышает рабочую, реагенты проходят через пористые электроды в электролит, попадают в электролитную емкость, затем внутрь корпуса и далее через клапан сброса газа в окружающую воду.

Однако данная энергоустановка имеет ряд существенных недостатков, Необходимость использования тяжелых баллонов для хранения азота ухудшает удельные характеристики энергоустановки, тем более что для заполнения внутренней полости герметичного корпуса необходимо значительное количество азота. Сброс реагентов через пористые электроды при превышении рабочего перепада давлений на электродах снижает надежность работы энергоустановки, поскольку наличие водородно-кислородной смеси представляет значительную опасность вследствие возможности возникновения пожара или взрыва. а при пробулькивании газов через электроды может

1122187 нарушиться замочка электродов. Кроме то- водностью через жидкость. Последнее обго, в этом случае электроды подвергаются стоятельство имеет особенно большое воздействию значительных механических значение для необслуживаемых энергонагрузок, которые могут привести.к их по- установок небольшой мощности, в котовреждению; 5 рых отсутствует специальная система

Цель изобретения — повышение удель- термостатирования, а образующееся тепло ных характеристик и надежности работы рассеивается в окружающую среду, Соедиэнергоустзновки. нением входного трубопровода водорода с

Цель достигается тем, что в известной абрзтным клапаном, расположенным внут.энергоустановке подводного применения, t0 ри герметичного корпуса, и установкой класостоящей из системы хранения и подачи пана сброса водорода на одном уровне с водорода и кислорода с регуляторами пере- регуляторами перепада давления достиг паде давления газа, электрохимического ге- ется практически полная разгрузка корпуса, нератора, помещенного в заполненный з также поддержание абсолютного давлегаэомгерметичный корпусс клапаномсбро- 15 ния водорода на входе в батарею ТЭ проса газа, содержащего батарею топливных порционально глубине погружения элементов с гидрофильными пористыми энергоустановки, Поддержание рабочего электродами, соединенную входными тру- перепада давления на электродах обеспечибопроводами с регуляторами перепада дав- веется соединением входного трубопроволеиия, продувочные агрегаты и емкость 20 да водорода через.эапорно-регулирующее электролита, в качестве заполняющего газа устройство с емкостью электролита (благовэят водород. которым заполнен корпус до даря подаче водорода в емкость при погруверхнего уровня батареи топливных элй- жении) и соединением емкости электролита ментов, застзльная часть корпуса ззполне- с обратным клапаном сброса водорода(блана диэлектрической жидкостью, клапан 25 годзря выпуску водорода из емкости при сбросзвбдорода установлен на Одном уров". подъеме энергоустановки},.причем отношенесрегуляторамиперепададавления,вход- ние высоты установки обратного клапана ной трубопровод водорода соединен с сброса водорода - к высоте генератора обратным клапаном, расположеннйми предпочтительно составляет 1-6. Нижняя внутри герметичного корпуса, и через за- 30 граница указзнногоотношения высотопрепорно-регулирующее устройство — c емко- деляется из условия сохранения капиллярстью электролита, емкость электролита ного равновесия в нижних участках соединена труббпроводом с обратным кла- пористых электродов, когда снижение давпаномсбросаводорода,установленнымвы- ления газа в электролитной емкости комше регуляторов перепада давления, причем 35 пенсирует давление электролитного столба, обратный клапан сброса водорода установ- . высота которого равна высоте генератора лен выше генератора, а входной трубопро- (высота ТЭ плюс высота емкости электроли- вод кислорода соединен с обратным та),звобщем-случаеобратныйклзпансброклапаном сброса кислорода, установлен- . сз водорода установлен выше генератора. ным на одном уровне с регуляторами пера- 40 При плотности электролита, близкой к плотпада давления. ности воды, что имеет место в необслуживаИспольэование водорода в качестве за- емых энергоуствновках, минимальное полняющего газа позволяетуменьшить мас- . отношение высоты установки клапана сбросу энергоустзновки за счет упразднения саводородзквысотегенератораравноедисистемы хранения азота, Дополнительный 45 нице. Верхняя граница указанного выигрыш достигается благодаря чзстич- отношения определяется величиной рабоному заполнению внутренней полости кор- чего перепада давлений на электродах. В пуса дииэлектрической жидкостью, . связи с тем, что в необслуживаемых энерговследствие чего зйзчительно уменьшается установках рабочий перепад давлений на объем, заполняемый водородом. Эта поэзо- 50 электродах не превышает 30 кПа, а высота ляет свести к минимуму расход водорода, генератора составляет около 0,5 м, то макнеобходимый для разгрузки корпуса при по- симальная величина отношения указанных гружении и подъеме энергоустановки. До- высот равна 6. В качестве запорно-регуполнительным эффектом от использования лирующего устройства может служить, надиэлектрической жидкостиявляется позы- 55 пример, дифференциальный клапан, шение надежности работы энергоустзновки открывающийся при перепаде давлений нз благодаря предотвращению искрообразо- электродах, превышающем рабочее, и завакия между элементами конструкции бата- крыазющийся при перепаде давлений, реи ТЭ и сооздзние более лучших условий меньшем рабочего,илипогруженная вэлекдля отвода тепла от батареи ТЭ теплопро- тролит пористая пластинас критическим пе1122187 репэдом.давлений, превышающим рабочий, Для поддержения абсолютного давления кислороде нэ входе в батарею ТЭ пропорционально глубине погружения знергоустановки. входной трубопровод кислорода 5 соединен с обратным клапаном сброса кислороде, установленным на одном уровне с регуляторами перепада давления.

На чертеже представлена принципиальная пневмогидравлическая вхема 10 предлагаемой энергоуствновки. Энергоустановка состоит из системы хранения и подачи водорода 1 с регулятором перепа. да давления 2, системы хранения и подачи кислороде 3 с регулятором перепада дав- 15 ления 4 и ЭХГ. размещенного в герметичном корпусе 5. Верхняя часть 6 внутренней

llollocTH корпуса 5 явнолнейа водородом до: верхнего уровня батареи ТЭ. Остальная часть «ориуса заполнена диэлектрической 20 жидко©тью 7.. B «ачестае диэлектрической жидкости может.быта использована, напри-. мер, кремиийорганичвская жидкость.. Верхняя часть корпуса 5 саеденена посредством трубопровода 8 с клапаном еброса «одоро- 25 дэ 9, установленным на одном уровне с регулятерами перепада давления 2 и 4.

Батарея ТЭ 10 соединена трубопреводамй

11 и 12 с регуляторами перейада давления

2 и 4, этрубопроводами 13м 14-с ироду- 30 вочными агрегатами 15и: :16. Г3родувочные газы уделяются в окружающую ящику по тру. бопроводам 17 и.18. Емкость электролита 19 аеещенейе с батареей ТЭ 1О по электролиту трубопроводом 20. Вхоаной трубопровод11 35 совдинен тру роводеми 21 и 22 соотввтСт®енно с обратным клапаном 23, расположенным в верхней чести герметичного корпусе 5. и с емкостью электролита 19 чв- .

pea запорно-регулирующее. устройство, в 46 качестве которого на схеме показан диффе-: ренциальный клапан 24. Если запорно-регулирующим устройством служит пористая пластина, lo она помещается в отличие от дифференциального клапана в электролите 45

25 емкости 19, азовая полость 26 емкости

19 электролита соединена трубопроводом

27 с обратным клапаном сброса водороде

28, установленным. над регуляторами пере-. пада давления 2 и 4 на высоте H. причем 50 отношейие высоты установки клапана 28 H к высоте генератора составляет првимущвсУаеННо 1-6. Входной трубопровод кислорода 12 соединен трубопроводом 29 с обратным клапаном сброса кислорода 30. 55 установленным на одном уровне с регуляторами перепада давления 2 и 4;

Знергоустановка работает следующим образом. Пусть.зиергоустановка находится на заданной глубине после предшествующего погружения. Реэгенты из системы хранения и подачи водорода 1 и кислорода 3 поступают в регуляторы перепаде давления

2 и 4, из которых они направляются в батарею ТЭ 10 при абсолютном давлении, соответствующем заданной глубине. Давление водорода внутри корпуса 5также равно деалению водороде на выходе из регулятора перепада давления 2. Давление водорода в емкости электролита 19 меньше давления водорода не входе в батарею ТЭ 10 нэ величину перепада давлений дифференциального клапана 24(например. ЗОкйа). Обратный клапан сброса водорода 28 закрыт, поскольку он установлен на высоте, соответствующей рабочему перепаду давлений нв электродах, равному, например, 25 кйа. Таким образом, достигается разгрузка корпуса 5 и поддер жэние необходимого абсолютного давления реагентов нэ входе в батарею ТЭ 10 и рабочего перепада давлений на электродах. В процессе работы батареи ТЭ на нагрузку удаление инертных примесей осуществляетсяизвестным способом спомощьюиродувочных устройств 15. и 16 в- окружающую среду; охлаждение батареи ТЭ - посредством теплопередачи через диэлектрическую жидкость к корпусу и далее в окружающую воду. В случае отсутствия специальной сис-. темы удаления воды. когда образующаяся вода разбавляет электролит, уровень элемролита увеличивается, давление водорода в емкости 19 возрастает, и при достижении перепада давлений на электродах, равного 2S кйэ. избыток водорода стравливается через обратный клапан сброса водорода 28.

При погружении знергоустановки регуляторы перепада-давления 2 и 4 увеличивают абсолютное давление реагентов на входе е батарею ТЭ 10 в соответствии с изменвни; ем глубины, при этом также возрастает и давление водорода внутри корпуса S. Перепад давлений на электродах поддерживается-равным30 кпа автоматически с помощью запорно-регулирующего устройства {диф ференциэльного клапана) 24. При подьвме знергоустановки избыток водороде из трубопровода 11 сбрасывается через обратный

«лэпан 23 в газовую полость 6 корпуса 5. а из нее в окружающую воду через клапан сбросе водорода 9; избыток кислорода из трубопровода 12 стрэвливается через обратный клапан сброса кислороде 30. Избыток водорода из емкости электролита 19 сбрасывается в окружающую воду через обратный клапан сброса водорода при давлении, меньшем давления водорода нэ входе в батарею ТЭ на величину рабочего перепа да давлений нэ злектродах (в данном случае

1122187

25 кПа). При работе энергоустановки на небольшой глубине волнение поверхности воды воздействует аналогично периодическому погружению и подъему.

Предлагаемая энергоустановка обеспе- 5 чивает по сравнению с базовым объектом, в качестве которого использован прототип, повышение удельных характеристик и надежности работы. Удельные характеристики предлагаемой энергоустановки выше за 10 счет управления системы хранения азота и уменьшения обьема заполняемой водородом внутренней полости корпуса. В связи с тем что масса системы хранения азота значительна (в прототипе масса ЭХГ составляет 15

15-20 кг, масса баллонов с реагентами 50 кг, масса азотных баллонов 20 — 25 кг), удельная мощность и удельная энергоемкость предлагаемой энергоустановки увеличиваются на 20-25 Надежность работы предлагае- 20 мой энергоустановки повышается за счет заполнения корпуса диэлектрической жидментов, а остальная часть корпуса запол-. нена диэлектрической жидкостью, клапан сброса водорода установлен на одном уровне с регуляторами перепада давления, входной трубопровод водорода соединен с

30 обратным клапаном, расположенным внутри герметичного корпуса, и через запорно

- регулирующее устройство - с емкостью электролита, емкость электролита соединена трубопроводом с обратным клапаном

35 сброса водорода, установленным выше регуляторов перепада давления, причем обратный клапан сброса водорода установлен выше генератора, а выходной тру.. бопровод кислорода соединен с обратным

40 клапаном сброса кислорода, установленным на одном уровне с регуляторами пере- . пада давления. с

Формула изобретения

ЭНЕРГОУСТАНОВКА ПОДВОДНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ, состоящая из системы хранения и подачи. водорода и кислорода с регуляторами перепада давления газа, электрохимического генератора, помещенного в заполненный газом герметичный корпус с клапаном. сброса газа, содержащего батарею топливных элементов с гидрофильными пористыми электродами, соединенную входными трубопроводами с регуляторами перепада давления, продувочные агрегаты и емкость электролита, отличающаяся тем, что, с целью повышения удельных характеристик и надежности работы, в качестве заполняющего raasa взят водород, которым заполнен корпус до . верхнего уровня батареи топливных элекостью и использования запорно-регулирующего устройства для сбрасывания избытка водорода. Диэлектрическая жидкость препятствует искрообразованию между элементами конструкции батареи ТЭ. Сброс избытка водорода через запорно-регулирующее устройство в отличие от прототипа не приводит к образованию взрывоопасной водородно-кислородной смеси, сохраняет замочку электродов, обеспечивая работу электродов при практически постоянных механических условиях (рабочий перепа,". давлений на электродах изменяется от 25 до

30 кПа. в то время как в прототипе он изменяется от 0 при нарушении замочки электродов до критического перепада). (56) Патент США М 3664873, 13686, 1972.

GHlibrand МЛ., Gray l., Twentyrnan E. Fuel

Battery for under Water operation Power

Sources, 1976, Prep. Рар, s.а. М 23, 11 р.р.. И1.

1122187

Редактор ОЛОркова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Филь

Заказ 3332

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5 г!роизвод.,славно издательскии комбинат "Патент", r, Ужгород. ул.Гагарина, 101