RU2597412C1

RU2597412C1 - Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells

Info

Publication number: RU2597412C1
Application number: RU2015129907/07A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Семенович Кузеванов; Василий Николаевич Курьянов; Махсуд Мансурович Султанов; Геннадий Федорович Терентьев
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2016-09-10

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to power equipment and can be used as an electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells for backup power supply of emergency objects, where in disclosed generator gaseous hydrogen is obtained in a flow reaction vessel by hydrolysis of aqueous suspension of aluminium. Higher safety and efficiency of electrochemical generator is provided by making hydrogen generator in form of a flow reaction vessel for hydrolysis of aluminium, inputs of which are connected by pipelines with tank for aqueous suspension of aluminium and a tank for aqueous solution of caustic soda with their simultaneous connection to a displacement system in form of a cylinder with compressed gas. First outlet of reaction vessel for hydrolysis of aluminium is connected to first inlet of fuel cell battery, and second outlet is connected to tank for collection of aqueous solution of hydrolysis products. Fuel cell battery is equipped with oxygen supply system connected to battery of cylinders with oxygen.

EFFECT: higher safety and efficiency of electrochemical generator.

1 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to power equipment with electrochemical generators (ECG) based on hydrogen-oxygen fuel cells (TE) and can be used to produce electrical energy both in stationary installations and in transport. The proposed electrochemical generator for producing electrical energy can be used, for example, for emergency power supply of a cellular relay.

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.An analogue of the present invention can be an ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells containing a battery of fuel cells, hydrogen and oxygen supply and purge systems, an electrolyte circulation circuit with a pump, heat exchanger, and an electrolyte tank with temperature and electrolyte level sensors (US patent 3935028, class Н01М 8 / 04, 1976). The disadvantage of this ECG is the difficulty of its operation at start-up and shutdown, associated with the discharge, refueling and heating of the electrolyte.

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).Known ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells containing a battery of fuel cells, a system for supplying and purging hydrogen and oxygen, an electrolyte circulation circuit with a pump, heat exchanger, heater and a container with electrolyte placed under a fuel cell battery (RF patent No. 2244594, class N01M 8/04, 01/27/2005).

Недостатком указанного ЭХГ является сложность его эксплуатации, связанная с необходимостью удаления и сбора капельной жидкости из газовых магистралей батареи топливных элементов.The disadvantage of this ECG is the difficulty of its operation, associated with the need to remove and collect droplet liquid from the gas lines of the fuel cell battery.

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.Known ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells, containing a battery of fuel cells of two blocks, each of which consists of a set of fuel cell modules of a filter design with internal collectors of hydrogen, oxygen and electrolyte, while moisture separators are installed on the lines connecting the blocks through hydrogen and oxygen with drainage valves, the outputs of which are connected to an electrolyte tank, hydrogen and oxygen supply and purge systems, an electrolyte circulation circuit with a pump, heat a heat exchanger, a heater and an electrolyte capacity with an electrolyte level sensor located under the battery of fuel cells (RF patent No. 2280924). The disadvantage of this ECG is the difficulty of its operation, associated with the lack of control of hydrogen leaks from the hydrogen storage system.

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.The closest in combination of essential features and technical result achieved is an ECG for backup power supply of a mobile telephone repeater in Dordrecht, Holland, described in (S.V. Korobtsev. “Safety of hydrogen energy” / S.V. Korobtsev, V. .N. Fateev // Energy, Economics, Technology, Ecology. - 2013. No. 2, p. 16). The specified ECG has a battery of oxygen cylinders, a battery of hydrogen cylinders with a pressure of 200 kg / cm ² , a system for supplying hydrogen and oxygen to the battery of fuel cells, a hydrogen leak sensor and a maintenance and operation system.

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.A disadvantage of the known electrochemical generator for generating electric energy is that in order to solve the hydrogen safety problem in accordance with the standard EN 60079-10, a significant area of alienation of an open area is needed to accommodate a power plant, as well as a complex service system for replacing hydrogen cylinders. This leads to a significant metal consumption of the power plant, to the complexity of maintenance and the inevitable increase in operating costs.

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.The technical problem solved by the proposed device is to increase safety, reduce metal consumption and operating costs due to the exclusion of the balloon hydrogen supply system. An important circumstance is the smaller exclusion area for the installation of the power plant and a significant reduction in metal consumption, which leads to increased safety and lower operating costs. The technical result that arises when solving this problem is to increase safety and efficiency and is achieved by the fact that the electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells, containing a battery of fuel cells, a battery of oxygen cylinders, hydrogen and oxygen supply systems, according to the invention, is equipped with a hydrogen generator, made in the form of a flowing reaction vessel for aluminum hydrolysis, the first inlet of which is connected by a pipe to the tank of an aqueous suspension of aluminum, the second the inlet is connected to a tank of an aqueous solution of caustic soda, the first outlet of the aluminum hydrolysis reaction vessel through a hydrogen supply system is connected to the first inlet of the fuel cell battery, and the second outlet is to a tank for collecting an aqueous solution of hydrolysis products, the second inlet of the fuel cell battery is connected to the oxygen supply system connected to the battery of oxygen cylinders, while the inputs of the tanks of an aqueous suspension of aluminum and an aqueous solution of caustic soda are connected to the displacement system.

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.The figure schematically shows the device of the proposed ECG. The ECG contains a battery of fuel cells 1, an oxygen supply system 2, a battery of oxygen cylinders 3, a hydrogen supply system 4 connected to a hydrogen generator 5. The hydrogen generator is made in the form of a flow reaction vessel for aluminum hydrolysis, the first inlet of which is connected by a pipe to a tank of an aqueous aluminum suspension 6, the second inlet is connected to the sodium hydroxide aqueous solution tank 7, the first outlet of the aluminum hydrolysis reaction vessel through the hydrogen supply system 4 is connected to the first inlet of the fuel cell battery 1, and the second in the output of the hydrogen generator 5 is connected to the tank 8 for collecting an aqueous solution of hydrolysis products, the second input of the battery of fuel cells 1 is connected to an oxygen supply system 2 connected to the battery of oxygen cylinders 3, while the inputs of the tanks of an aqueous suspension of aluminum 7 and an aqueous solution of sodium hydroxide 6 connected to the displacement system 9 in the form of a cylinder with compressed gas.

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.ECG works as follows. From the cylinder of the displacement system 9, compressed air or oxygen enters the storage and supply system of an aqueous solution of caustic soda 6 and the storage and supply system of an aqueous suspension of a solid reagent - aluminum 7, displacing them into a hydrogen generator 5. As a result of hydrolysis in a hydrogen generator 5, a liquid an alkaline solution of sodium aluminate, which enters the system for withdrawing and collecting an aqueous solution of hydrolysis products 8, and the hydrogen obtained through the hydrogen supply system 4 enters the fuel cell battery 1. At the same time from the batteries ei oxygen cylinders 3 through the oxygen supply system 2, oxygen enters the battery of fuel cells 1, which generate electrical energy.

Claims

An electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells, containing a battery of fuel cells, a battery of oxygen cylinders, a hydrogen and oxygen supply system, characterized in that it is equipped with a hydrogen generator made in the form of a flow reaction vessel for aluminum hydrolysis, the first input of which is connected by a pipe to a tank of an aqueous suspension of aluminum, the second inlet is connected to the tank of an aqueous solution of sodium hydroxide, the first outlet of the reaction vessel for hydrolysis of aluminum through a hydrogen supply system with it is single with the first input of the fuel cell battery, and the second output is with a tank for collecting an aqueous solution of hydrolysis products, the second input of the fuel cell battery is connected to an oxygen supply system connected to the battery of oxygen cylinders, while the inputs of the tanks are an aqueous suspension of aluminum and an aqueous solution of caustic soda connected to the displacement system.