Энергоустановка на топливных элементах водородно-кислородного накопителя энергии

Энергоустановка на топливных элементах водородно-кислородного накопителя энергии

Реферат

Среди энергоустановок (ЭУ), предназначенных для хранения электроэнергии, системы типа «электролизер - электрохимический генератор» известны достаточно хорошо. В таких системах энергия хранится в виде кислорода и водорода, которые получаются путем электролиза воды в электролизере, а при необходимости из этих газов в электрохимическом генераторе (ЭХГ) опять получают электроэнергию [1] (аналог). Такие системы хранения имеют многочисленные достоинства, основными из которых являются практически неограниченное время хранения энергии, а также отсутствие ее потерь.

Одной из основных проблем, затрудняющих использование подобных водородно-кислородных накопителей энергии (ВКН) в бытовых системах энергообеспечения, является их взрывоопасность. Естественное стремление к компактности таких ЭУ, особенно установок с небольшой энергоемкостью приводит к тому, что водород и кислород приходится хранить при достаточно высоком давлении в баллонах, расположенных вблизи друг от друга. Это многократно повышает опасность взрыва (например, при протечках арматуры) и увеличивает его мощность. Например, при энергоемкости такого ВКН всего ˜50 кВт·ч энергия хранящегося в ЭУ водорода эквивалентна энергии, высвобождаемой при взрыве 35 кг динамита. Таким образом, сам принцип хранения электроэнергии в виде водорода и кислорода выдвигает на одно из первых мест проблему взрывобезопасности ЭУ.

Более близким к предлагаемому является техническое решение, предложенное для энергоустановки электромобиля [2] (прототип), когда взрывобезопасность ЭУ со сжатыми кислородом и водородом обеспечивается за счет секционирования ЭУ с использованием прочных (например, бронированных) перегородок и корпуса автомобиля. Реакционная вода, генерируемая в ЭХГ, при этом собирается, но в работе ЭУ не используется.

Недостатком прототипа является то обстоятельство, что защитные перекрытия и экраны, вообще говоря, не подавляют взрывные волны, а отражают их, перенаправляя в другие стороны. При этом отраженные волны имеют большую амплитуду и могут действовать как на элементы ЭУ, так и на объекты, расположенные рядом с этой установкой.

При полном же экранировании ЭУ приходится использовать тяжелые газонепроницаемые оболочки, затрудняющие обслуживание установки и ухудшающие ее удельные массовые характеристики. Кроме того, взрыв внутри непроницаемой оболочки усиливает свое разрушительное действие, а в случае разрушения защитных экранов возможно образование осколков.

Задачей предлагаемого технического решения является таким образом разработка ВКН с повышенным уровнем взрывобезопасности, то есть системой взрывозащиты, обладающей демпфирующим действием и пониженной вероятностью взаимного инициирования взрыва водородных и кислородных баллонов.

Задача решается тем, что в энергоустановке на топливных элементах водородно-кислородного накопителя энергии, включающей размещенные в общем корпусе электрохимический генератор и электролизный блок, пневматически соединенные кислородной и водородной магистралями, к которым подключены также баллоны со сжатыми кислородом и водородом соответственно, а также емкость с реакционной водой, гидравлически соединенная с электрохимическим генератором и электролизным блоком, емкость с реакционной водой выполнена в виде полой перегородки, заполненной этой водой и разделяющей корпус энергоустановки на две части, в одной из которых размещены баллоны со сжатым водородом, а в другой - баллоны со сжатым кислородом.

Кроме того, стенки корпуса этой энергоустановки могут быть выполнены в виде полой оболочки, также заполненной водой.

Суть предложения заключается в том, что внутренний объем ЭУ секционируется таким образом, чтобы кислородные и водородные баллоны были разделены прослойками из реакционной воды (например, полый экран, заполненный водой). Таким образом, реакционная вода применяется не только как реагент, но и как защитное устройство.

Вода (или завеса воды) часто используется как защитное средство от взрывных волн. Взаимодействуя с водой, волна тратит свою энергию на ее дробление и испарение капель. Поскольку же теплота испарения воды велика, она достаточно эффективно демпфирует взрывные волны.

Кроме того, разрушение перегородки из воды приводит к тому, что среда внутри корпуса ЭУ переобогащается капельной водой и водяным паром, что может сделать невозможным взрыв кислородно-водородной смеси или, по крайней мере, существенно его ослабить.

Схема кислородно-водородной ЭУ (ВКН) дана на фиг.1, где обозначено:

1 - корпус ЭУ; 2 - баллоны со сжатым водородом; 3 - баллоны со сжатым кислородом; 4 - емкость с реакционной водой; 5 - ЭХГ; 6 - электролизный блок, соединенный с ЭХГ (соединительные магистрали на чертеже условно не показаны).

В изобретении баллоны со сжатым водородом (2) размещены в верхней части ЭУ, а баллоны со сжатым кислородом (3) - в ее нижней части. Корпус (1) установки для наглядности показан условно. Рядом с баллонами имеется свободное место для размещения ЭХГ (5) и электролизного блока (6) (точное их расположение на данной схеме не имеет принципиального значения). В средней части ЭУ размещена емкость с реакционной водой (4), разделяющая баллоны со сжатым водородом (2) и баллоны со сжатым кислородом (3). Количество реакционной воды определяет энергоемкость установки.

В случае взрыва баллонов со сжатым водородом (2) ударная волна, прежде чем разрушить баллоны со сжатым кислородом (3), пройдет через реакционную воду, распылит ее и частично испарит. Тем самым энергия ударной волны существенно снизится, и баллоны с кислородом могут остаться неповрежденными. Даже в случае их разрушения последующая взрывная реакция водорода и кислорода будет существенно ослаблена за счет того, что в объеме ЭУ распылена вода. При достаточно большом количестве распыленной воды реакция водорода и кислорода вообще может принять характер горения, а не взрыва [3].

Для повышения степени взрывозащищенности ЭУ корпус установки (1) также может заполняться водой. Следует также отметить, что использование защитных прокладок из воды не слишком затруднит обслуживание ЭУ (воду всегда можно слить) и исключает образование осколков в случае разрушения защиты

Таким образом, предложенная ЭУ на топливных элементах водородно-кислородного накопителя электроэнергии позволяет повысить пожаро-взрывобезопасность подобных ЭУ для значительных изменений их конструкции, за счет рационального размещения запасов реакционной воды.

Литература:

1. «Система энергопитания постоянного тока. RU №2076405, 1997 г.

2. «Транспортное устройство с автономным химическим источником энергии». RU №2219075, 2002 г.

3. Справочник «Водород, свойства, получение, хранение...» под ред. Д.Ю.Гамбурга. Москва, «Химия», 1989, стр.50.

1. Энергоустановка на топливных элементах водородно-кислородного накопителя энергии, включающая размещенные в общем корпусе электрохимический генератор и электролизный блок, пневматически соединенные кислородной и водородной магистралями, к которым подключены также баллоны со сжатыми кислородом и водородом соответственно, а также емкость с реакционной водой, гидравлически соединенная с электрохимическим генератором и электролизным блоком, отличающаяся тем, что емкость с реакционной водой выполнена в виде полой перегородки, заполненной этой водой и разделяющей корпус энергоустановки на две части, в одной из которых размещены баллоны со сжатым водородом, а в другой - баллоны со сжатым кислородом.

2. Энергоустановка на топливных элементах по п.1, отличающаяся тем, что стенки ее корпуса выполнены в виде полой оболочки, заполненной водой.