Способ эксплуатации электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов в вакууме

Авторы патента:

H01M8/06 - комбинации топливных элементов с устройствами для образования реагирующих веществ или для обработки остатков отработанных реагирующих веществ (регенеративные топливные элементы H01M 8/18; изготовление реагирующих веществ как таковое см. в разделах B или C)

Владельцы патента RU 2415497:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может использоваться в космических системах электропитания, работающих на базе водородно-кислородных электрохимических генераторов (ЭХГ). Согласно изобретению способ эксплуатации электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов в вакууме включает: охлаждение электрохимического генератора теплоносителем от внешней системы охлаждения и удаление из электрохимического генератора жидкой реакционной воды. Удаление жидкой реакционной воды из электрохимического генератора производят, размещая ее в вакууме, а теплоноситель после выхода из электрохимического генератора дополнительно охлаждают, пропуская его через жидкую реакционную воду, размещенную в вакууме. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы ЭХГ и возможность реализации автономных режимов работы, то есть работы ЭХГ в режиме самоохлаждения. 1 табл.

Автономная энергоустановка с ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов включает в себя систему удаления реакционной воды и систему охлаждения топливных элементов (ТЭ), поскольку примерно половина химической энергии кислорода и водорода выделяется в ТЭ в виде тепла. Это тепло выносится из ТЭ потоком теплоносителя и затем сбрасывается в окружающую среду, для чего используются газожидкостные теплообменники, обдуваемые потоком воздуха. Так, например, работают ЭХГ в электроавтомобилях и наземных энергоустановках на ТЭ (патент RU №2219075, 20.12.2003, МПК В60К 8/00 (2006.01)). Это техническое решение может использоваться в качестве аналога предлагаемому.

Недостатком такого способа эксплуатации ЭХГ является невозможность применить его в вакууме, например в космосе, в том числе на борту космических аппаратов (КА). Даже если внутри КА есть атмосфера, небольшое общее количество газа внутри КА не позволяет сбрасывать в него тепло во избежание перегрева аппарата. Так возникает проблема охлаждения ЭХГ на борту КА.

Техническим решением, свободным от этого недостатка, является способ эксплуатации ЭХГ на борту пилотируемых КА НАСА (например, Space Shuttle). Здесь для охлаждения ЭХГ используется бортовая система охлаждения самого аппарата. Жидкая реакционная вода, получающаяся при охлаждении рабочих газов, удаляется их ЭХГ и направляется в систему хранения воды КА. Собственная система охлаждения ЭХГ при этом имеет простейшую конструкцию и минимальную массу, что повышает удельные энергетические характеристики ЭХГ как массовые, так и объемные («Электрохимические генераторы» Н.В.Коровин, Москва, Энергия, 1974 г., стр.135). Данный способ принят за прототип.

Недостатком прототипа является дополнительная тепловая нагрузка, которую получает внешняя система охлаждения (например, бортовая система охлаждения КА). В космосе, где проблема теплоотвода стоит достаточно остро, тепло, выделяемое ЭХГ, требует использования более мощных, а следовательно, более габаритных и массовых бортовых инфракрасных излучателей. При этом работа ЭХГ зависит от работы внешней системы (например, систем охлаждения КА).

Задача настоящего технического решения - разработать способ эксплуатации ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов в вакууме, позволяющий снизить дополнительную тепловую нагрузку, выдаваемую генератором во внешнюю систему охлаждения, и тем самым сделать работу ЭХГ в этих условиях (в вакууме) более автономной.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы ЭХГ и возможность реализации автономных режимов работы, то есть работы ЭХГ в режиме самоохлаждения.

Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации электрохимического генератора в вакууме, включающем охлаждение электрохимического генератора теплоносителем от внешней системы охлаждения и удаление из электрохимического генератора жидкой реакционной воды, удаление жидкой реакционной воды из электрохимического генератора производят, размещая ее в вакууме, а теплоноситель после выхода из электрохимического генератора дополнительно охлаждают, пропуская его через жидкую реакционную воду, размещенную в вакууме.

Суть предлагаемого изобретения заключается в использовании вакуума для испарения жидкой реакционной воды, образующейся при работе ЭХГ. При этом несмотря на то, что в вакууме испарение воды происходит без нагревания, процесс является эндотермическим, (то есть идет с поглощением тепла), поскольку теплота испарения жидкости определяется только энергией ее межмолекулярных связей. В результате вода, помещенная в вакуум, охлаждается, и ее можно использовать для дополнительного охлаждения теплоносителя на выходе ЭХГ. Тем самым можно снизить тепловую нагрузку, которая передается во внешнюю систему охлаждения.

Для пояснения сущности изобретения представлена таблица, в которой приведены характеристики режима работы ЭХГ при N_Э=10 кВт (N_Э - электрическая мощность генератора).

Предварительная оценка эффективности такого способа показывает, что при «электрическом» КПД ЭХГ ~50% таким образом можно «отвести» от ЭХГ ~30% генерируемого им тепла, при КПД=60% - примерно половину, а в перспективе (при КПД ~75%) - до 90% тепла.

Оценка эффективности режима самоохлаждения, например для ЭХГ «Фотон», производится следующим образом.

Если не учитывать энергозатраты на собственные нужды, тепловая мощность ЭХГ (Nт) определяется соотношением:

где N_Э и η_Э - соответственно электрические мощность и КПД генератора.

При этом «тепловой» КПД генератора (η_Т) составляет:

Значения этих коэффициентов зависит от основной характеристики ЭХГ - удельного расхода водорода , определяющего количество водорода (Н₂), необходимого для выработки единицы электроэнергии, например для ЭХГ «Фотон» .

Таким образом, расход водорода , потребляемого ЭХГ, определяет как электроэнергию, так и тепловую мощность генератора

Кроме того, этот расход определяет также производительность ЭХГ поводе :

а следовательно, и мощность, которую можно отвести от генератора за счет испарения реакционной воды в вакуум (N_ИСП):

где Q_ИСП.≈2300 кДж/кг - удельная теплота испарения воды.

Из (1), (3), (4), (5) получается простое соотношение для величины К=N_ИСП/N_Т, представляющей собой ту часть тепла ЭХГ, которая уносится его реакционной водой:

Для иллюстрации целесообразности работы ЭХГ в режиме самоохлаждения для ЭХГ «Фотон» мощностью N_Э=10 кВт даются оценочные значения энергетических характеристик такого режима (см. таблицу).

Как видно из таблицы, даже при обычных КПД ЭХГ (50÷60%) испарение реакционной воды может обеспечивать отвод значительной (до половины) части генерируемого им тепла. В принципе, при увеличении электрического КПД генератора до ~75% возможно почти полное самоохлаждение ЭХГ. Такой КПД может регулироваться, например, при работе щелочных ЭХГ на небольших мощностях (токах), а также в перспективе при совершенствовании существующих генераторов. Условием полного охлаждения является (К=1), откуда с учетом (6) получаем:

Если учесть, что η_Э и связаны соотношением:

где Q_СГ - низкая теплота сгорания водорода (~120 МДж/кг),

получим условие полного самоохлаждения ЭХГ:

Осуществляется данный способ следующим образом. При работе ЭХГ из газов (водорода и кислорода), попадающих в ТЭ, получается жидкая реакционная вода, которую удаляют из ЭХГ и размещают в вакууме. Здесь она начинает испаряться, что приводит к ее охлаждению и возможно замерзанию поверхностного слоя.

Теплоноситель, охлаждающий ЭХГ и имеющий тепловой контакт с внешней системой охлаждения, после выхода из ЭХГ пропускают через эту воду, в результате чего он охлаждается и количество тепла, «выносимого» в бортовую систему охлаждения, снижается.

При этом в стационарном режиме тепло, унесенное испарившейся водой, соответствует энергии, затраченной внешней системой охлаждения на конденсацию воды (см. таблицу).

Таким образом, предлагаемое решение создает предпосылки для более автономного использования ЭХГ в условиях вакуума, например на борту КА.

Характеристики режима работы ЭХГ при N_Э=10 кВт
η_Э, %	η_Т, %	N_Т, кВт	N_ИСП, кВт	K=N_ИСП/N_T, %
50	50	10	3	~30
60	40	6,6	3	~50
70	30	7,2	3	~70
75	75	3,3	3	~90

Способ эксплуатации электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов в вакууме, включающий охлаждение электрохимического генератора теплоносителем от внешней системы охлаждения и удаление из электрохимического генератора жидкой реакционной воды, отличающийся тем, что удаление жидкой реакционной воды из электрохимического генератора производят, размещая ее в вакууме, а теплоноситель после выхода из электрохимического генератора дополнительно охлаждают, пропуская его через жидкую реакционную воду, размещенную в вакууме.

Изобретение относится к устройству для получения энергии из углеводородной смеси, к соответствующей системе и способу. .

Способ и катализатор гидрирования оксидов углерода // 2409878

Изобретение относится к способу и катализатору гидрирования оксидов углерода. .

Система топливных элементов для снабжения транспортного средства питьевой водой и кислородом и ее применение // 2406186

Изобретение относится к системе топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом транспортного средства. .

Установка для производства электроэнергии из углеводородного сырья // 2388118

Изобретение относится к электрогенерирующим устройствам, а более конкретно к установкам производства электроэнергии в водородных электрохимических генераторах (ЭХГ) с топливными элементами, использующими в качестве исходного энергоносителя углеводородное сырье.

Получение нанесенных катализаторов на основе металл/оксид металла путем предшествующей химической нанометаллургии в определенных реакционных пространствах пористых носителей с помощью металлорганических и/или неорганических предшественников и металлсодержащих восстановителей // 2380155

Изобретение относится к способу получения и использования катализаторов для синтеза метанола. .

Система твердооксидных топливных элементов // 2379796

Изобретение относится к высокотемпературным топливным элементам, в частности к твердооксидным топливным элементам. .

Регенеративная энергоустановка для дирижабля, предназначенная для перемещения его в окружающей среде, и способ ее эксплуатации // 2376687

Изобретение относится к области энергетики летательных аппаратов. .

Автономная система энергопитания и способ ее эксплуатации // 2371813

Изобретение относится к области автономных систем энергопитания (АСЭП) отдельных объектов, удаленных от линии электропередачи, а именно к АСЭП, включающим возобновляемые источники энергии в качестве внешнего источника электроэнергии, электрохимический генератор (ЭХГ), электролизер и баллоны для хранения реагентов (водорода и кислорода).

Способ энергоснабжения в полете космического аппарата с электрохимическими генераторами // 2360332

Изобретение относится к космической области, и в частности к способам энергоснабжения в полете космических аппаратов (КА) с системой энергоснабжения на базе электрохимических генераторов.

Модуль установки для риформинга // 2353024

Изобретение относится к модулю установки для реформинга, применяемого в системе топливных элементов. .

Энергоустановка с электрохимическим генератором на основе водородно-кислородных топливных элементов и способ ее эксплуатации // 2417487

Изобретение относится к энергоустановкам с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ)

Авиационная система генератора электроэнергии, использующая топливные батареи // 2431585

Изобретение относится к силовым установкам летательных аппаратов вспомогательного назначения

Генератор водорода и источник энергии с топливным элементом // 2458854

Устройство для выработки водорода и оборудованная им система топливного элемента // 2459764

Изобретение относится к области химии

Способ генерации энергии в гибридной энергоустановке // 2465693

Система топливного элемента и способ ее управления // 2504052

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13). Топливный элемент (10) вырабатывает энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа. Первая камера (20) сгорания избирательно подает обогревающий газ в катод (13) топливного элемента (10). Первый обратный канал (17) для обогревающего газа смешивает, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода (13), с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа и обогревающего газа подается в катод (13). Система (50) подачи газа соединена с первым обратным каналом (17) для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода (13) так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания. Повышение эффективности использования газа, выпускаемого из катода, путем использования его для повышения температуры топливного элемента, а также снижение отложений углерода на аноде, является техническим результатом заявленного изобретения. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Регенеративная электрохимическая система энергоснабжения пилотируемого космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом и способ ее эксплуатации // 2516534

Изобретение относится к энергетике, к системе энергоснабжения космических аппаратов и напланетных станций. Электрохимическая система энергоснабжения космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает электролизер воды и кислородо-водородный генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом, металло-водородный аккумулятор, имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с баллоном хранения водорода пневмомагистралью с запорным элементом. Способ эксплуатации указанной системы включает осуществление замкнутого цикла реакций разложения воды током на водород и кислород, стехиометрическое соединение этих газов с получением электричества и воды с отбором из этого цикла кислорода, избыток водорода используют в качестве реагента в металло-водородном аккумуляторе, который предварительно заряжают, удаляя из него образующийся при этом водород. Технический результат - сохранение энергоемкости утилизация избыточного водорода, повышение безопасности системы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ получения электроэнергии из водорода с использованием топливных элементов и система энергопитания для его реализации // 2523023

Изобретение относится к энергоустановкам c твердополимерными топливными элементами (ТЭ), в которых получают электроэнергию за счет электрохимической реакции газообразного водорода с двуокисью углерода, и электрохимической реакции окиси углерода с кислородом воздуха. Предложена также система энергопитания с получением электроэнергии из водорода с использованием батареи твердополимерных ТЭ, которая снабжена регенеративным теплообменником подачи воздуха и регенеративным теплообменником нагрева окиси углерода и охлаждения двуокиси углерода, выход которого соединен трубопроводом, с установленным на нем обратным клапаном, с баллоном с двуокисью углерода, который через клапан подачи двуокиси углерода, подсоединен к входу окислителя для его подачи в батарею твердополимерных ТЭ. Повышение КПД в системе получения электроэнергии, является техническим результатом заявленного изобретения 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Газогенератор для конверсии топлива в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, его применение и способ конверсии топлива в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ (его варианты) // 2539561

Настоящее изобретение относится к газогенератору для конверсии топлива в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, который может быть использован в любом процессе, требующем обедненного кислородом газа и/или обогащенного водородом газа, предпочтительно, используют его для генерирования защитного газа или восстановительного газа для запуска, выключения или аварийного отключения твердооксидного топливного элемента (SOFC) или твердооксидного элемента электролиза (SOEC). Настоящее изобретение предлагает способ конверсии топлив в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, который предусматривает каталитическое сжигание топлива в первой каталитической горелке, сжигание дымового газа во второй каталитической горелке, а также снижение количества кислорода и моноокиси углерода. Изобретение позволяет увеличивать работоспособность твердооксидных топливных элементов и обеспечить безопасность их работы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах // 2570568

Изобретение относится к аппаратуре и способам управления производством воды и тепла, производимым топливным элементом в холодных средах. Аппаратура может включать трубу, соединенную с выпускным отверстием отсоса топливного элемента или блока топливных элементов для сбора воды, и может вести в камеру. Вторая труба может вести от камеры к внешней поверхности изолированной оболочки для обеспечения выдувания. Пар из топливного элемента, который конденсируется или замерзает, может удерживаться внутри контейнера таким образом, чтобы он не блокировал бы выпускного отверстия топливного элемента. Аппаратура, кроме того, также может включать теплообменную конструкцию для направления тепла из топливного элемента в направлении камеры. Техническим результатом является обеспечение функционирования топливных элементов при низких температурах. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.