Электрохимический генератор на основе водородно-воздушных (кислородных) топливных элементов

Электрохимический генератор на основе водородно-воздушных (кислородных) топливных элементов

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области электрохимических генераторов (ЭХГ) на основе топливных элементов (ТЭ) со щелочным электролитом.

Предшествующий уровень техники

Известен ЭХГ на основе водородно-воздушных (кислородных) ТЭ, содержащий батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и воздуха (кислорода), контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита (см. патент США 3935028, кл. Н 01 М 8/04, 1976).

Недостатком данного ЭХГ является сложность его эксплуатации при запуске и остановке, связанная со сливом, заправкой и разогревом электролита.

Из известных ЭХГ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЭХГ на основе водородно-воздушных (кислородных) ТЭ, содержащий батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и воздуха (кислорода), контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита (см. пат. Великобритании № 1419844, кл. Н 01 М 8/04, 1975).

Недостатком указанного ЭХГ является технологическая сложность его эксплуатации, связанная со сливом и заправкой жидким электролитом, а также удалением и сбором капельной жидкости из продувочных газов. Наличие капельной жидкости в продувочных газах может привести к отказу системы продувки и выходу ЭХГ из строя.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание ЭХГ, обладающего повышенной надежностью в эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что ЭХГ на основе водородно-воздушных (кислородных) ТЭ содержит батарею топливных элементов (БТЭ), системы подачи и продувки водорода и воздуха (кислорода), контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита, при этом согласно изобретению электролитная емкость, насос, нагреватель, датчики уровня и температуры выполнены в виде единого агрегата, который размещен под БТЭ. Объединение указанных составляющих электролитного контура в единый агрегат уменьшает габариты ЭХГ и облегчает его монтаж и отработку. Размещение агрегата под БТЭ упрощает заправку и слив электролита при пуске и остановке ЭХГ. При сбросе давления электролит из БТЭ самотеком сливается в электролитную емкость

Целесообразно, чтобы контур циркуляции электролита дополнительно содержал механический фильтр, расположенный в электролитной емкости. Наличие фильтра позволяет удалить из циркулирующего электролита механические примеси, которые могут нарушить нормальное функционирование генератора при попадании в рабочие полости ТЭ.

Целесообразно, чтобы нагреватель был выполнен в виде каталитического, электрического или каталитического и электрического нагревателей. Указанное выполнение нагревателя расширяет возможности использования различных видов энергии для нагрева электролита.

Целесообразно, чтобы электролитная емкость была выполнена с наклонным к центру днищем и содержала в центре цилиндрический сосуд с датчиками уровня, при этом цилиндрический сосуд по электролиту сообщается с электролитом электролитной емкости, а по газовой среде изолирован от газовой среды электролитной емкости. Наличие наклонного к центру днища емкости обеспечивает полный слив электролита и накопление, и удаление всех примесей из нижней точки электролитной емкости. Наличие цилиндрического сосуда с датчиками уровня, расположенного в центре электролитной емкости, обеспечивает необходимую точность измерения уровня при кренах и дифферентах ЭХГ. Сообщение цилиндрического сосуда и электролитной емкости по электролиту обеспечивает контроль реального уровня электролита в емкости. Разобщение газовых сред цилиндрического сосуда и электролитной емкости предотвращает смещение реагентов (водорода, кислорода (воздуха) и возможность взрыва.

Целесообразно, чтобы трубопроводы выхода воздуха (кислорода) из БТЭ были соединены с газовой средой электролитной емкости, а трубопроводы выхода водорода из БТЭ соединены с газовой средой цилиндрического сосуда. Такое соединение трубопроводов предотвращает смешение газов и образование взрывоопасной смеси, а следовательно, и возможность взрыва.

Целесообразно, чтобы объем электролитной емкости был больше объема электролита в электролитном контуре ЭХГ. Это позволяет дополнительно использовать электролитную емкость как емкость для слива, хранения и заправки электролита.

Целесообразно, чтобы подача электролита в БТЭ производилась снизу, а отвод электролита из БТЭ в электролитную емкость производился сверху. Это позволяет исключить влияние гидростатического столба электролита на работу ТЭ и обеспечивает вынос пузырей из ТЭ.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию “изобретательский уровень” проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретения поясняется чертежом и описанием работы заявленного ЭХГ.

Перечень фигур чертежей

На чертеже представлена принципиальная пневмогидравлическая схема заявленного ЭХГ.

Заявленный ЭХГ содержит БТЭ 1, систему подачи водорода 2, систему подачи воздуха (кислорода) 3, систему продувки водорода 4, систему продувки воздуха (кислорода) 5, контур циркуляции электролита с насосом 6, теплообменником 7, нагревателем 8, электролитной емкостью 9, с датчиками температуры 10 и уровня электролита 11. Электролитная емкость 9, насос 6, нагреватель 8, датчики уровня электролита 11 и датчик температуры 10 выполнены в виде единого агрегата 12, который размещен под БТЭ. Контур циркуляции электролита дополнительной содержит механический фильтр 13, который может быть выполнен как отдельный агрегат или в составе электролитной емкости. В центре емкости электролита расположен цилиндрический сосуд 14 с датчиками уровня электролита 11, при этом цилиндрический сосуд по электролиту сообщается с электролитом электролитной емкости, а по газовой среде изолирован от газовой среды электролитной емкости. Выходной трубопровод от системы продувки водорода 4 соединен с цилиндрическим сосудом 14, а выходной трубопровод системы продувки воздуха (кислорода) 5 соединен с электролитной емкостью 9. Подача электролита насосом 6 в БТЭ 1 производится снизу, а отвод из БТЭ в емкость электролита 9 производится сверху.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

ЭХГ работает следующим образом. Система подачи водорода 2 и воздуха (кислорода) 3 обеспечивает подачу реагентов в ТЭ, которые потребляются на реакцию и обеспечивают генерацию тока. Выделяющееся тепло отводится циркулирующим электролитом и сбрасывается в теплообменнике 7. Продувка ТЭ от инертных примесей, содержащихся в рабочих газах, осуществляется посредством системы продувки водорода 4 и воздуха (кислорода) 5. Продувка водорода производится в цилиндрический сосуд 14, а воздуха (кислорода) - в электролитную емкость 9. Капельная жидкость (вода, электролит), содержащаяся в продувочных газах, вместе с потоком продуваемого газа выносится в соответствующую емкость и попадает в электролит. Газовые пространства цилиндрического сосуда 14 и электролитной емкости 9 изолированы, что предотвращает смешивание продувочных газов с образованием взрывоопасной смеси. Датчики уровня электролита 11 обеспечивают контроль уровня электролита в заданном диапазоне, что позволяет поддерживать заданный объем электролита в контуре циркуляции. Нагреватель 8 используется при запуске ЭХГ от температуры окружающей среды и поддержания заданной температуры батареи при малых нагрузках. Датчик температуры 10 предназначен для контроля температуры электролита и используется для ее поддержания в заданном диапазоне. Раздельная продувка ТЭ по водороду и воздуху (кислороду), удаление капельной жидкости из продувочных газов, размещение электролитной емкости под БТЭ, подача электролита в БТЭ снизу и его отвод из БТЭ сверху позволяет повысить надежность функционирования ЭХГ.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ЭХГ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата (повышение надежности), т.е. он соответствует критерию “промышленная применимость”.

1. Электрохимический генератор на основе водородно-воздушных (кислородных) топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов, системы подачи и продувки водорода и воздуха (кислорода), контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита, отличающийся тем, что электролитная емкость, насос, нагреватель, датчики уровня и температуры выполнены в виде единого агрегата, который размещен под батареей топливных элементов.

2. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что контур циркуляции электролита дополнительно содержит механический фильтр, расположенный в электролитной емкости.

3. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде каталитического нагревателя.

4. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде электрического нагревателя.

5. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде каталитического и электрического нагревателей.

6. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что электролитная емкость выполнена с наклонным к центру днищем и содержит в центре цилиндрический сосуд с датчиками уровня, при этом цилиндрический сосуд по электролиту сообщается с электролитом электролитной емкости, а по газовой среде изолирован от газовой среды электролитной емкости.

7. Электрохимический генератор по п.1 или 6, отличающийся тем, что трубопроводы выхода воздуха (кислорода) из батареи топливных элементов соединены с газовой средой электролитной емкостью, а трубопроводы выхода водорода из батареи топливных элементов соединены с газовой средой цилиндрического сосуда.

8. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что объем электролитной емкости больше объема электролита в электролитном контуре электрохимического генератора.