RU2081478C1 - Способ регулирования влагосодержания в низкотемпературном водородно-кислородном аккумуляторе - Google Patents
Способ регулирования влагосодержания в низкотемпературном водородно-кислородном аккумуляторе Download PDFInfo
- Publication number
- RU2081478C1 RU2081478C1 RU9595100140A RU95100140A RU2081478C1 RU 2081478 C1 RU2081478 C1 RU 2081478C1 RU 9595100140 A RU9595100140 A RU 9595100140A RU 95100140 A RU95100140 A RU 95100140A RU 2081478 C1 RU2081478 C1 RU 2081478C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- moisture content
- cells
- elements
- flow rate
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005422 blasting Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Использование: система аккумулирования энергии на основе топливных и электролизных элементов. Сущность изобретения: способ регулирования влагосодержания в водородно-кислородном аккумуляторе путем одновременной продувки рабочим газом топливных и электролизных элементов и подачи в поток газа охлажденной воды с расходом, определяемым выражением: 
, где G - секундный расход воды, кг/с, nтэ - число ячеек топливных элементов, I - ток заряда и разряда, А., Δt - градиент температуры между элементами и охлаждающей водой. Предлагаемый способ регулирования обладает повышенной надежностью.
Description
Изобретение относится к области электроэнергетики, преимущественно там, где необходимо аккумулирование электрической энергии особенно где аккумулирование энергии осуществляется за счет использования избытка электрической энергии для электролиза воды на газообразные продукты в электрических ячейках (ЭЯ, накопления этих реагентов и последующего их соединения в периоды пика нагрузки для выработки электроэнергии в топливных элементах (ТЭ).
Так как аккумулирование энергии осуществляется за счет, с одной стороны разложения воды, а с другой стороны за счет образования воды, то процесс регулирования влагосодержания в этих системах имеет очень важное значение.
В настоящее время влагосодержание в такого типа энергетических системах регулируется одним из наиболее известных и простых способах, при котором влагосодержание поддерживается за счет поддержания постоянного уровня электролита, который находится в жидком состоянии [1]
Недостатком этого способа является то, что его нельзя использовать на летательных аппаратах, так как при невозможности и при переменных перегрузках положение уровня жидкости не имеет фиксированного значения. Особо важное значение жидкости не имеет фиксированного значения. Особо важное значение это имеет в устройствах, в которых процессы генерации тока (режим работы ТЭ) и разложения воды (режим работы ЭЯ) происходят в одном устройстве. Именно такие устройства могут быть применены на летательных аппаратах и по аналогии с общеизвестными аккумуляторами их можно назвать водородно-кислородными аккумуляторами.
Недостатком этого способа является то, что его нельзя использовать на летательных аппаратах, так как при невозможности и при переменных перегрузках положение уровня жидкости не имеет фиксированного значения. Особо важное значение жидкости не имеет фиксированного значения. Особо важное значение это имеет в устройствах, в которых процессы генерации тока (режим работы ТЭ) и разложения воды (режим работы ЭЯ) происходят в одном устройстве. Именно такие устройства могут быть применены на летательных аппаратах и по аналогии с общеизвестными аккумуляторами их можно назвать водородно-кислородными аккумуляторами.
В настоящее время известен и широко применяется способ регулирования влагосодержания в элементах системы, являющийся наиболее близким к изобретению и поэтому взятый за прототип [2]
Согласно известному способу топливные элементы (ТЭ) продувают одним из рабочих газов (водородом или кислородом), охлаждают эту парогазовую смесь, пропуская по контуру теплообменника до необходимой температуры, конденсируя при этом необходимое количество воды, избытки которой после этого удаляются из потока.
Согласно известному способу топливные элементы (ТЭ) продувают одним из рабочих газов (водородом или кислородом), охлаждают эту парогазовую смесь, пропуская по контуру теплообменника до необходимой температуры, конденсируя при этом необходимое количество воды, избытки которой после этого удаляются из потока.
Недостатком технического решения прототипа является невозможность поддержания влагосодержания в рабочем диапазоне при резком изменении нагрузки в устройстве особенно в водородно-кислородном аккумуляторе, так как в нем необходимо то удалять воду, то добавлять. Например, при резком увеличении разряда происходит резкое увеличение влагосодержания, что может привести к затоплению ТЭ и выхода его из строя и, наоборот в режиме зарядки системы электропитания может произойти интенсивное разложение воды на кислород и водород и, как следствие, осушение ЭЯ, что может также привести к выходу из строя системы. Эти недостатки обусловлены инерционностью тепло-массовых процессов, происходящих в системе энергопитания постоянного тока.
Таким образом, задачей нового технического решения является создание такого способа регулирования влагосодержания в элементах водородно-кислородного аккумулятора, при котором в рабочих процессах зарядки и разрядки содержание воды оставалось бы в безопасном диапазоне работы системы энергопитания постоянным током.
Задача решается совокупностью всех существенных признаков, а именно: продувают одним из рабочих газов, например, водородом топливные элементы и электролизные ячейки водородно-кислородного аккумулятора, и при этом в поток парогазовой смеси на выходе из элементов подают охлажденную воду, с расходом, определяемым выражением:
где: G секундный расход воды, кг/с;
nтэ-число топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами системы и охлаждающей водой.
где: G секундный расход воды, кг/с;
nтэ-число топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами системы и охлаждающей водой.
Это связано с тем, что парогазовая смесь, согласно изобретению, одновременно смывает как ЭЯ так и ТЭ, но при работе ТЭ необходимо не только охладить элементы, но и сконденсировать пар, на что необходимо определенное количество холодной воды. При работе ЭЯ их необходимо лишь охладить и добавить необходимое количество воды, так как в этот период происходит разложение воды на кислород и водород. Поэтому определяющим для количества охлажденной воды является количество топливных элементов.
Это позволяет значительно упростить регулирование влагосодержанием более точно поддерживать влагосодержание на элементах в рабочем, безопасном диапазоне нагрузок системы, что значительно улучшает надежность и срок службы ее, этим и достигается технический результат.
В предлагаемом способе положительный эффект, заключающийся в поддержании постоянного влагосодержания, обусловлен прямой зависимостью между количеством воды, подаваемой в элементы системы от нагрузки.
Изложенная сущность способа поясняется следующим примером. Как известно, ЭЭ и ТЭ наиболее эффективно работают при температуре (90-98)oC. Продуваемый рабочий газ, например водород, омывает ЭЭ и ТЭ, на которых либо образуется вода в виде пара при соединении кислорода с водородом (при разряде), т.е. происходит затопление элементов (увеличение влагосодержание), либо происходит осушка элементов (уменьшение влагосодержания при заряде т.е. разложении воды).
Излишки влаги выводятся следующим образом:
Пары воды, образовавшейся в результате соединения кислорода с водородом, смешиваясь с водой, температура которой, например, 60oC то-есть температуры ЭЭ и ТЭ конденсируются и уже в конденсированном виде (т.е. в виде воды) удаляются во влагоотделителе.
Пары воды, образовавшейся в результате соединения кислорода с водородом, смешиваясь с водой, температура которой, например, 60oC то-есть температуры ЭЭ и ТЭ конденсируются и уже в конденсированном виде (т.е. в виде воды) удаляются во влагоотделителе.
Недостаток влаги компенсируется простым впрыском недостающего количества жидкости.
Как известно, из закона Фарадея, массовая скорость выделения или поглощения воды в батарее, состоящей из n элементов (ЭЭ или ТЭ) равна:
W 9,34•10-8•I•n,
где: n число элементов (ЭЭ или ТЭ);
I ток заряда или разряда А.
W 9,34•10-8•I•n,
где: n число элементов (ЭЭ или ТЭ);
I ток заряда или разряда А.
Количество тепла, необходимое для конденсации пара равно
Q 9,34•10-8•r•I•n,
где: r теплота конденсации пара.
Q 9,34•10-8•r•I•n,
где: r теплота конденсации пара.
Конденсация пара происходит за счет смешения с холодной водой, расход которой при этом равен:
где: Cp теплоемкость воды;
Δt градиент температуры между ячейкой и охлажденной водой;
Подставляя значение Q получаем:
где: r 2,3•106 Дж/кг;
Cp 4,19•103.
где: Cp теплоемкость воды;
Δt градиент температуры между ячейкой и охлажденной водой;
Подставляя значение Q получаем:
где: r 2,3•106 Дж/кг;
Cp 4,19•103.
Чисто экспериментальным путем подтверждено, что постоянное влагосодержание при длительной работе в период резкой смены нагрузки находится при расходе воды, подаваемой для смешивания определяемой по формуле:
где: G секундный расход воды, кг/с;
nтэ число топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами и охлаждающей водой.
где: G секундный расход воды, кг/с;
nтэ число топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами и охлаждающей водой.
Теоретическое значение равно:
Предлагаемый способ регулирования влагосодержанием при работе системы реализуется следующей последовательностью действий:
продувают одним из рабочих газов, например, водородом элементы системы, которые термостатируются в пределах от 90o до 96o. Газ, омывая элементы, выносит пары воды из них, (при разряде) при этом количестве паров воды образовавшейся в элементах пропорционально токовой нагрузке в данный момент времени: например I 100A, n 33 расход воды равен 1,11 кг/ч (3,1 г/сек) смешивают на выходе из элементов продуваемый газ с парами воды, с водой, подаваемой из отдельного бака и охлажденной до температуры окружающей среды, например, 20oC, подаваемый расход воды связан соотношением с перепадом температуры между термостатируемыми элементами, температурой охлаждающей воды и токовой нагрузкой.
Предлагаемый способ регулирования влагосодержанием при работе системы реализуется следующей последовательностью действий:
продувают одним из рабочих газов, например, водородом элементы системы, которые термостатируются в пределах от 90o до 96o. Газ, омывая элементы, выносит пары воды из них, (при разряде) при этом количестве паров воды образовавшейся в элементах пропорционально токовой нагрузке в данный момент времени: например I 100A, n 33 расход воды равен 1,11 кг/ч (3,1 г/сек) смешивают на выходе из элементов продуваемый газ с парами воды, с водой, подаваемой из отдельного бака и охлажденной до температуры окружающей среды, например, 20oC, подаваемый расход воды связан соотношением с перепадом температуры между термостатируемыми элементами, температурой охлаждающей воды и токовой нагрузкой.
В дальнейшем капли жидкости собираются и удаляются в виде жидкости.
При заряде (при работе ЭЭ) газ, смешиваясь с водой увлажняется и, в отличие от вышеизложенного, вносит пары в элементы. Это связано с тем, что элементы пропитаны щелочью, а щелочь является хорошим поглотителем влаги. Поэтому и осуществляется постоянство влагосодержания, которое в основном зависит от температуры, так как щелочь насыщается до определенной концентрации и при большей концентрации влага будет удаляться, а при малой концентрации вода будет поглощаться при этом расход-приход воды будет связан с вышеприведенной формулой, только в том случае вода будет удаляться захватывая с собой излишки влаги, в другом- поглощаться элементами.
Таким образом задача регулирования влагосодержания в системе энергопитания решается надежно в безопасном диапазоне работы.
Список используемых источников.
1. Л. М. Якименко и др. "Электролиз воды" Москва. Из-во "Химия" 1970 г. стр. 106-107.
2. "Энергетические установки космических аппаратов" Москва Энергоиздат. 1981 г. стр 41. рис.3.6. (прототип).
Claims (1)
- Способ регулирования влагосодержания в водородно-кислородном аккумуляторе, включающий продувку топливных элементов одним из рабочих газов, отличающийся тем, что рабочим газом продувают одновременно как топливные элементы, так и электролизные ячейки, а в поток газа подают охлажденную воду с расходом, определяемым выражением
где G расход воды, кг/с;
nт э число ячеек топливных элементов;
I ток заряда или разряда, А;
Δt градиент температуры между элементами и охлаждающей водой.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9595100140A RU2081478C1 (ru) | 1995-01-05 | 1995-01-05 | Способ регулирования влагосодержания в низкотемпературном водородно-кислородном аккумуляторе |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9595100140A RU2081478C1 (ru) | 1995-01-05 | 1995-01-05 | Способ регулирования влагосодержания в низкотемпературном водородно-кислородном аккумуляторе |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95100140A RU95100140A (ru) | 1996-08-10 |
| RU2081478C1 true RU2081478C1 (ru) | 1997-06-10 |
Family
ID=20163756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU9595100140A RU2081478C1 (ru) | 1995-01-05 | 1995-01-05 | Способ регулирования влагосодержания в низкотемпературном водородно-кислородном аккумуляторе |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2081478C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2230311C1 (ru) * | 2003-02-10 | 2004-06-10 | Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия | Способ определения прочности связи влаги с веществом |
| RU2310255C2 (ru) * | 2002-01-18 | 2007-11-10 | Интелиджент Энерджи Лимитед | Система с топливным элементом, обеспечивающая удаление кислорода и предварительное установление требуемых параметров топлива и окислителя |
| RU2482576C1 (ru) * | 2011-09-13 | 2013-05-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов и способ удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов |
-
1995
- 1995-01-05 RU RU9595100140A patent/RU2081478C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Якименко Л.М. и др. Электролизер воды. - М: Химия, 1970, с. 106 - 107. 2. Энергетические установка космических аппаратов. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 41, рис. 3.6. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2310255C2 (ru) * | 2002-01-18 | 2007-11-10 | Интелиджент Энерджи Лимитед | Система с топливным элементом, обеспечивающая удаление кислорода и предварительное установление требуемых параметров топлива и окислителя |
| RU2230311C1 (ru) * | 2003-02-10 | 2004-06-10 | Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия | Способ определения прочности связи влаги с веществом |
| RU2482576C1 (ru) * | 2011-09-13 | 2013-05-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов и способ удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95100140A (ru) | 1996-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1241369A (en) | Method for replacing lost electrolyte in fuel cells | |
| Pointon et al. | The development of a carbon–air semi fuel cell | |
| RU2670991C2 (ru) | Способ электролиза и электролизная установка | |
| CN101222065B (zh) | 并联双堆燃料电池系统的阳极再循环 | |
| US20040023094A1 (en) | Fuel cell power generating system | |
| RU2332753C2 (ru) | Терморегулирование в электрохимических топливных элементах | |
| US20170133698A1 (en) | Method of decontaminating a fuel reactant stream for a fuel cell | |
| JP2003530668A (ja) | 燃料電池電力設備用の直接不凍液溶液濃度制御装置 | |
| WO1992010863A1 (en) | Method of and arrangement for replenishing hydrogen consumed by a fuel cell device | |
| WO2003058742A1 (en) | Fuel cell power plant having a reduced free water volume | |
| US5178969A (en) | Fuel cell powerplant system | |
| RU2488922C2 (ru) | Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента | |
| US20030148151A1 (en) | Method for operating a fuel cell system, and associated fuel cell installation | |
| RU2081478C1 (ru) | Способ регулирования влагосодержания в низкотемпературном водородно-кислородном аккумуляторе | |
| US7381487B2 (en) | In-situ removal of electrolyte from gas oxidizer | |
| JP3473784B2 (ja) | 燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法 | |
| US20150303524A1 (en) | Electrochemical storage of thermal energy | |
| JPH0831435A (ja) | 燃料電池発電装置の冷却水温度の調節方法 | |
| US11637300B2 (en) | Fuel cell based power generator | |
| RU2154878C2 (ru) | Гальваносорбционный реакционный элемент | |
| US9472812B2 (en) | Electric energy cell | |
| JP2002246056A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| RU2774852C1 (ru) | Энергетическая установка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами | |
| Agarwal et al. | Energy balance for a direct carbon molten carbonate fuel cell | |
| RU2262778C2 (ru) | Способ эксплуатации электрохимического генератора и устройство для его реализации |