Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов



Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов
Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов

 


Владельцы патента RU 2597412:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") (RU)

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано в качестве электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов для резервного электропитания аварийных объектов, при этом в заявленном генераторе газообразный водород получают в проточном реакционном сосуде путем гидролиза водной суспензии алюминия. Повышение безопасности и эффективности работы электрохимического генератора обеспечивается за счет выполнения генератора водорода в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, входы которого соединены трубопроводами с баком водной суспензии алюминия и с баком водного раствора едкого натра при их одновременном подключении к системе вытеснения в виде баллона со сжатым газом. Первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия соединен с первым входом батареи топливных элементов, а второй выход - с баком для сбора водного раствора продуктов гидролиза. Батарея топливных элементов снабжена системой подачи кислорода, подключенной к батарее баллонов с кислородом. 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетическому оборудованию с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) и может быть использовано для получения электрической энергии как в стационарных установках, так и на транспорте. Предлагаемый электрохимический генератор получения электрической энергии может быть применен, например, для аварийного энергообеспечения ретранслятора сотовой связи.

Аналогом предлагаемого изобретения может служить ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащий батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, электролитной емкостью с датчиками температуры и уровня электролита (патент США 3935028, кл. Н01М 8/04, 1976). Недостатком данного ЭХГ является сложность его эксплуатации при запуске и остановке, связанная со сливом, заправкой и разогревом электролита.

Известен ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащий батарею топливных элементов, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и емкостью с электролитом, размещенной под батареей топливных элементов (патент РФ №2245594, кл. Н01М 8/04, 27.01.2005).

Недостатком указанного ЭХГ является сложность его эксплуатации, связанная с необходимостью удаления и сбора капельной жидкости из газовых магистралей батареи топливных элементов.

Известен ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов из двух блоков, каждый из которых состоит из набора модулей топливных элементов фильтпрессной конструкции с внутренними коллекторами водорода, кислорода и электролита, при этом на магистралях соединения блоков по водороду и кислороду установлены влагоотделители с дренажными клапанами, выходы которых соединены с электролитной емкостью, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом, теплообменником, нагревателем и электролитной емкостью с датчиком уровня электролита, размещенной под батареей топливных элементов (патент РФ №2280924). Недостатком указанного ЭХГ является сложность его эксплуатации, связанная с отсутствием контроля утечек водорода из системы хранения водорода.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЭХГ для резервного питания электрической энергией ретранслятора мобильной телефонной связи в г. Дордрехт, Голландия, описанной в (С.В. Коробцев. «Безопасность водородной энергетики» / С.В. Коробцев, В.Н. Фатеев // Энергия, экономика, техника, экология. - 2013. №2, стр. 16). Указанный ЭХГ имеет батарею баллонов с кислородом, батарею баллонов с водородом с давлением 200 кг/см2, системы подачи водорода и кислорода к батарее топливных элементов, датчик утечки водорода и системы обслуживания и эксплуатации.

Недостатком известного электрохимического генератора для получения электрической энергии является то, что для решения проблемы водородной безопасности в соответствии со стандартом EN 60079-10 необходима значительная площадь отчуждения открытой площадки для размещения энергетической установки, а также сложная система обслуживания по замене водородных баллонов. Это приводит к значительной металлоемкости энергетической установки, к сложности обслуживания и к неизбежному возрастанию эксплуатационных расходов.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении безопасности, снижении металлоемкости и эксплуатационных расходов благодаря исключению баллонной системы подачи водорода. Немаловажным обстоятельством является меньшая площадь отчуждения для размещения энергоустановки и значительное снижение металлоемкости, что и приводит к повышению безопасности и снижению эксплуатационных расходов. Технический результат, возникающий при решении поставленной задачи, состоит в повышении безопасности и эффективности и достигается тем, что электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов, батарею баллонов с кислородом, системы подачи водорода и кислорода, согласно изобретению, снабжен генератором водорода, выполненным в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, первый вход которого соединен трубопроводом с баком водной суспензии алюминия, второй вход соединен с баком водного раствора едкого натра, первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия через систему подачи водорода соединен с первым входом батареи топливных элементов, а второй выход - с баком для сбора водного раствора продуктов гидролиза, второй вход батареи топливных элементов соединен с системой подачи кислорода, подключенной к батарее баллонов с кислородом, при этом входы баков водной суспензии алюминия и водного раствора едкого натра подключены к системе вытеснения.

На рисунке схематично представлено устройство предлагаемого ЭХГ. ЭХГ содержит батарею топливных элементов 1, систему подачи кислорода 2, батарею баллонов с кислородом 3, систему подачи водорода 4, связанную с генератором водорода 5. Генератор водорода выполнен в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, первый вход которого соединен трубопроводом с баком водной суспензии алюминия 6, второй вход соединен с баком водного раствора едкого натра 7, первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия через систему подачи водорода 4 соединен с первым входом батареи топливных элементов 1, а второй выход генератора водорода 5 соединен с баком 8 для сбора водного раствора продуктов гидролиза, второй вход батареи топливных элементов 1 соединен с системой подачи кислорода 2, подключенной к батарее баллонов с кислородом 3, при этом входы баков водной суспензии алюминия 7 и водного раствора едкого натра 6 подключены к системе вытеснения 9 в виде баллона со сжатым газом.

ЭХГ работает следующим образом. Из баллона системы вытеснения 9 сжатый воздух или кислород поступает в систему хранения и подачи водного раствора едкого натра 6 и систему хранения и подачи водной суспензии твердого реагента - алюминия 7, вытесняя их в генератор водорода 5. В результате реакции гидролиза в генераторе водорода 5 образуется жидкий щелочной раствор алюмината натрия, который поступает в систему вывода и сбора водного раствора продуктов гидролиза 8, а полученный водород по системе подачи водорода 4 поступает в батарею топливных элементов 1. Одновременно из батареи баллонов с кислородом 3 по системе подачи кислорода 2 кислород поступает в батарею топливных элементов 1, которые вырабатывают электрическую энергию.

Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов, батарею баллонов с кислородом, системы подачи водорода и кислорода, отличающийся тем, что он снабжен генератором водорода, выполненным в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, первый вход которого соединен трубопроводом с баком водной суспензии алюминия, второй вход соединен с баком водного раствора едкого натра, первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия через систему подачи водорода соединен с первым входом батареи топливных элементов, а второй выход - с баком для сбора водного раствора продуктов гидролиза, второй вход батареи топливных элементов соединен с системой подачи кислорода, подключенной к батарее баллонов с кислородом, при этом входы баков водной суспензии алюминия и водного раствора едкого натра подключены к системе вытеснения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано для получения электрической энергии как в стационарных установках, так и на транспорте, а также при производстве и эксплуатации энергоустановок.
Настоящее изобретение относится к способу производства жидкого водорода и электроэнергии. Способ производства водорода и/или электроэнергии включает создание системы, подходящей для производства водорода и/или электроэнергии, содержащей, по меньшей мере, устройство реформинга, приспособленное для приема сырьевого природного газа и реформинга природного газа с получением водородсодержащего газа; устройство для производства электроэнергии, приспособленное для приема, по меньшей мере, части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и осуществления реформинга водорода для производства электроэнергии; и устройство для сжижения водорода, приспособленное для приема части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и для сжижения водорода с получением жидкого водорода, при этом во время работы в устройство для сжижения водорода подают по меньшей мере часть электроэнергии, произведенной в устройстве для выработки электроэнергии, и во время работы из системы отводят жидкий водород и/или электроэнергию; при этом в течение первого периода природный газ направляют в устройство реформинга газа, и система работает для отвода жидкого водорода; и в течение второго периода природный газ направляют в устройство реформинга газа, и система работает для отвода электроэнергии.

Заявленное изобретение относится к системе и способу повышения общей производительности топливного элемента, преимущественно твердооксидного топливного элемента, при одновременном отделении почти чистого потока СО2 для изоляции или использования при выработке электроэнергии для дополнительного увеличения общей эффективности процесса.

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.

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).

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.

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.

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).

Изобретение относится к электроду для топливного элемента, который содержит углеродные нанотрубки; катализатор для топливного элемента, нанесенный на углеродные нанотрубки; и иономер, обеспеченный так, чтобы покрывать углеродные нанотрубки и катализатор для топливного элемента, причем, если длина углеродных нанотрубок обозначена как La [мкм], а шаг между центрами углеродных нанотрубок обозначен как Ра [нм], то длина La и шаг Ра между центрами удовлетворяют двум выражениям, приведенным ниже: 30≤La≤240; и 0,351×La+75≤Ра≤250.

Изобретение относится к способу снижения проницаемости мембраны по отношению к ионам ванадия. Способ включает введение катионного поверхностно-активного вещества, по меньшей мере, в часть поверхности мембраны и внутреннюю часть мембраны инкубацией мембраны в водный или водно-солевой раствор, содержащий катионное поверхностно-активное вещество или смесь катионных поверхностно-активных веществ.

Изобретение относится к подводной лодке, содержащей устройство для производства электроэнергии. Технический результат - повышение компактности с одновременной оптимизацией КПД.

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).

Изобретение относится к источникам энергии, в частности к воздушно-алюминиевым топливным батареям. Техническим результатом изобретения является повышение удельной мощности топливной батареи за счет уменьшения ее габаритных размеров. Указанный технический результат достигается тем, что электроды выполнены в виде упруго связанного между собой набора пластин, образуя плоскую пружину сжатия, которая, разжимаясь от пускового механизма, сжимает и нарушает герметичность эластичной емкости с электролитом, который, вытекая из емкости, заполняет межэлектродное пространство, при этом эластичная емкость с электролитом прокалывается установленными внутри нее штырями, в процессе активизации входящими в отверстия, выполненные в электродах, а штыри выполнены в виде перфорированных трубок. Способ активизации топливной батареи позволяет повысить удельную мощность топливной батареи в результате уменьшения ее габаритных размеров за счет того, что до активизации батареи эластичная емкость с электролитом занимает рабочий объем батареи, который освобожден от электродов путем их сжатия.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергоустановкам для совместной выработки электроэнергии и теплоты, использующим углеводородное топливо и предназначенным для локальных потребителей.

Заявленное изобретение относится к твердым окисным топливным элементам (ТЭ), полученным в соответствии со способом, в котором имеют место стадии: - нанесения слоя топливного электрода: слоя электролита, содержащего стабилизированный цирконий, на слой топливного электрода для получения системы из основы топливного электрода и электролита; - спекания системы из основы топливного электрода и электролита друг с другом для получения полуэлемента; - нанесения на слой электролита предварительно спеченного полуэлемента одного или более слоев кислородного электрода, причем, по меньшей мере, один из слоев содержит композит из лантан-стронций-манганита и стабилизированного циркония для получения полного твердого окисного элемента; - спекания одного или более слоев кислородного электрода с предварительно спеченным полуэлементом; а также пропитки марганцем одного или более слоев кислородного электрода полного твердого окисного элемента для получения пропитанного марганцем ТЭ.

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.

Изобретение относится к системам топливных элементов, использующих в качестве топливного газа водород. Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение регулирования расходных характеристик системы циркуляции реагента в зависимости от требуемого для работы топливного элемента количества реагента. Устройство содержит топливный элемент, использующий газообразный реагент, систему хранения реагента и систему его подачи в топливный элемент, в состав которой входит система циркуляции реагента, включающая блок струйных аппаратов, регуляторы сечения, запорные клапана, причем блок струйных аппаратов содержит по крайней мере два струйных аппарата с разными проходными сечениями и расходными характеристиками, которые соединены параллельно таким образом, что имеют общий напорный коллектор, общую приемную камеру и общий выходной коллектор, при этом перед напорным коллектором установлены электромагнитный запорный клапан, резервный электромагнитный запорный клапан и регулятор сечения, соединенные кабелями с электрическим контроллером.

Топливный элемент и батарея топливных элементов относятся к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии окисления водорода кислородом воздуха в электрическую энергию.

Изобретение относится к системам охлаждения топливных элементов. Технический результат - обеспечение быстрого запуска при низких температурах.
Наверх