RU2415497C1 - Operating method of electrochemical generator on basis of hydrogen-oxygen fuel elements in vacuum - Google Patents
Operating method of electrochemical generator on basis of hydrogen-oxygen fuel elements in vacuum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2415497C1 RU2415497C1 RU2010109660/07A RU2010109660A RU2415497C1 RU 2415497 C1 RU2415497 C1 RU 2415497C1 RU 2010109660/07 A RU2010109660/07 A RU 2010109660/07A RU 2010109660 A RU2010109660 A RU 2010109660A RU 2415497 C1 RU2415497 C1 RU 2415497C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vacuum
- electrochemical generator
- ecg
- hydrogen
- reaction water
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 8
- 238000011017 operating method Methods 0.000 title abstract 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000002565 electrocardiography Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation 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
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к «водородной» энергетике и может использоваться в космических системах электропитания, работающих на базе водородно-кислородных электрохимических генераторов (ЭХГ).The invention relates to hydrogen energy and can be used in space power supply systems operating on the basis of hydrogen-oxygen electrochemical generators (ECG).
Автономная энергоустановка с ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов включает в себя систему удаления реакционной воды и систему охлаждения топливных элементов (ТЭ), поскольку примерно половина химической энергии кислорода и водорода выделяется в ТЭ в виде тепла. Это тепло выносится из ТЭ потоком теплоносителя и затем сбрасывается в окружающую среду, для чего используются газожидкостные теплообменники, обдуваемые потоком воздуха. Так, например, работают ЭХГ в электроавтомобилях и наземных энергоустановках на ТЭ (патент RU №2219075, 20.12.2003, МПК В60К 8/00 (2006.01)). Это техническое решение может использоваться в качестве аналога предлагаемому.An autonomous power plant with ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells includes a reaction water removal system and a fuel cell (TE) cooling system, since approximately half of the chemical energy of oxygen and hydrogen is released in the fuel as heat. This heat is removed from the fuel cell by the coolant flow and then discharged into the environment, for which gas-liquid heat exchangers are used, blown by the air stream. So, for example, ECGs work in electric cars and ground-based power plants on fuel cells (patent RU No. 2219075, December 20, 2003, IPC BK 8/00 (2006.01)). This technical solution can be used as an analogue to the proposed one.
Недостатком такого способа эксплуатации ЭХГ является невозможность применить его в вакууме, например в космосе, в том числе на борту космических аппаратов (КА). Даже если внутри КА есть атмосфера, небольшое общее количество газа внутри КА не позволяет сбрасывать в него тепло во избежание перегрева аппарата. Так возникает проблема охлаждения ЭХГ на борту КА.The disadvantage of this method of operating ECG is the inability to use it in a vacuum, for example in space, including on board spacecraft (SC). Even if there is an atmosphere inside the SC, a small total amount of gas inside the SC does not allow heat to be discharged into it in order to avoid overheating of the apparatus. So there is a problem of cooling the ECG on board the spacecraft.
Техническим решением, свободным от этого недостатка, является способ эксплуатации ЭХГ на борту пилотируемых КА НАСА (например, Space Shuttle). Здесь для охлаждения ЭХГ используется бортовая система охлаждения самого аппарата. Жидкая реакционная вода, получающаяся при охлаждении рабочих газов, удаляется их ЭХГ и направляется в систему хранения воды КА. Собственная система охлаждения ЭХГ при этом имеет простейшую конструкцию и минимальную массу, что повышает удельные энергетические характеристики ЭХГ как массовые, так и объемные («Электрохимические генераторы» Н.В.Коровин, Москва, Энергия, 1974 г., стр.135). Данный способ принят за прототип.A technical solution that is free from this drawback is a method of operating ECG on board NASA's manned spacecraft (for example, Space Shuttle). Here, for cooling the ECG, an on-board cooling system of the apparatus itself is used. The liquid reaction water resulting from the cooling of the working gases is removed by their ECG and sent to the spacecraft water storage system. Own ECG cooling system in this case has the simplest design and minimum weight, which increases the specific energy characteristics of ECG both mass and volumetric (“Electrochemical Generators” N.V. Korovin, Moscow, Energy, 1974, p. 135). This method is adopted as a prototype.
Недостатком прототипа является дополнительная тепловая нагрузка, которую получает внешняя система охлаждения (например, бортовая система охлаждения КА). В космосе, где проблема теплоотвода стоит достаточно остро, тепло, выделяемое ЭХГ, требует использования более мощных, а следовательно, более габаритных и массовых бортовых инфракрасных излучателей. При этом работа ЭХГ зависит от работы внешней системы (например, систем охлаждения КА).The disadvantage of the prototype is the additional thermal load that an external cooling system receives (for example, an onboard spacecraft cooling system). In space, where the problem of heat removal is quite acute, the heat generated by the ECG requires the use of more powerful, and consequently, more large-sized and massive airborne infrared emitters. In this case, the operation of the ECG depends on the operation of an external system (for example, spacecraft cooling systems).
Задача настоящего технического решения - разработать способ эксплуатации ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов в вакууме, позволяющий снизить дополнительную тепловую нагрузку, выдаваемую генератором во внешнюю систему охлаждения, и тем самым сделать работу ЭХГ в этих условиях (в вакууме) более автономной.The objective of this technical solution is to develop a method of operating ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells in a vacuum, which allows to reduce the additional heat load generated by the generator in an external cooling system, and thereby make the ECG operation under these conditions (in vacuum) more autonomous.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы ЭХГ и возможность реализации автономных режимов работы, то есть работы ЭХГ в режиме самоохлаждения.The technical result of the invention is to increase the reliability of the ECG and the possibility of implementing autonomous modes of operation, that is, the ECG in self-cooling mode.
Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации электрохимического генератора в вакууме, включающем охлаждение электрохимического генератора теплоносителем от внешней системы охлаждения и удаление из электрохимического генератора жидкой реакционной воды, удаление жидкой реакционной воды из электрохимического генератора производят, размещая ее в вакууме, а теплоноситель после выхода из электрохимического генератора дополнительно охлаждают, пропуская его через жидкую реакционную воду, размещенную в вакууме.The technical result is achieved by the fact that in the method of operating the electrochemical generator in vacuum, which includes cooling the electrochemical generator with a coolant from an external cooling system and removing liquid reaction water from the electrochemical generator, removing liquid reaction water from the electrochemical generator, placing it in a vacuum, and the coolant after exit from the electrochemical generator is additionally cooled by passing it through liquid reaction water placed in a vacuum.
Суть предлагаемого изобретения заключается в использовании вакуума для испарения жидкой реакционной воды, образующейся при работе ЭХГ. При этом несмотря на то, что в вакууме испарение воды происходит без нагревания, процесс является эндотермическим, (то есть идет с поглощением тепла), поскольку теплота испарения жидкости определяется только энергией ее межмолекулярных связей. В результате вода, помещенная в вакуум, охлаждается, и ее можно использовать для дополнительного охлаждения теплоносителя на выходе ЭХГ. Тем самым можно снизить тепловую нагрузку, которая передается во внешнюю систему охлаждения.The essence of the invention is to use a vacuum to evaporate the liquid reaction water generated during the operation of the ECG. In this case, despite the fact that in a vacuum evaporation of water occurs without heating, the process is endothermic (that is, it absorbs heat), since the heat of evaporation of a liquid is determined only by the energy of its intermolecular bonds. As a result, water placed in a vacuum is cooled, and it can be used for additional cooling of the coolant at the output of the ECG. Thus, it is possible to reduce the heat load, which is transmitted to an external cooling system.
Для пояснения сущности изобретения представлена таблица, в которой приведены характеристики режима работы ЭХГ при NЭ=10 кВт (NЭ - электрическая мощность генератора).To clarify the essence of the invention, a table is presented that shows the characteristics of the ECG operation mode at N E = 10 kW (N E is the electric power of the generator).
Предварительная оценка эффективности такого способа показывает, что при «электрическом» КПД ЭХГ ~50% таким образом можно «отвести» от ЭХГ ~30% генерируемого им тепла, при КПД=60% - примерно половину, а в перспективе (при КПД ~75%) - до 90% тепла.A preliminary assessment of the effectiveness of this method shows that with an “electric” ECH efficiency of ~ 50%, in this way ~ 30% of the heat generated by it can be “removed” from an ECH, with an efficiency of 60% - about half, and in the future (with an efficiency of ~ 75% ) - up to 90% of heat.
Оценка эффективности режима самоохлаждения, например для ЭХГ «Фотон», производится следующим образом.Evaluation of the effectiveness of the self-cooling mode, for example for ECG "Photon", is as follows.
Если не учитывать энергозатраты на собственные нужды, тепловая мощность ЭХГ (Nт) определяется соотношением:If you do not take into account energy costs for own needs, the thermal power of the ECG (Nt) is determined by the ratio:
где NЭ и ηЭ - соответственно электрические мощность и КПД генератора.where N E and η E are the electric power and efficiency of the generator, respectively.
При этом «тепловой» КПД генератора (ηТ) составляет:In this case, the "thermal" efficiency of the generator (η T ) is:
Значения этих коэффициентов зависит от основной характеристики ЭХГ - удельного расхода водорода
Таким образом, расход водорода
Кроме того, этот расход определяет также производительность ЭХГ поводе
а следовательно, и мощность, которую можно отвести от генератора за счет испарения реакционной воды в вакуум (NИСП):and consequently, the power that can be removed from the generator by evaporating the reaction water into vacuum (N ICP ):
где QИСП.≈2300 кДж/кг - удельная теплота испарения воды.where q isp. ≈2300 kJ / kg - specific heat of evaporation of water.
Из (1), (3), (4), (5) получается простое соотношение для величины К=NИСП/NТ, представляющей собой ту часть тепла ЭХГ, которая уносится его реакционной водой:From (1), (3), (4), (5) we obtain a simple relation for the quantity K = N ICP / N T , which is that part of the ECG heat that is carried away by its reaction water:
Для иллюстрации целесообразности работы ЭХГ в режиме самоохлаждения для ЭХГ «Фотон» мощностью NЭ=10 кВт даются оценочные значения энергетических характеристик такого режима (см. таблицу).To illustrate the appropriateness of the ECG operation in the self-cooling mode, the Photon ECG with a power of N E = 10 kW provides estimated values of the energy characteristics of this mode (see table).
Как видно из таблицы, даже при обычных КПД ЭХГ (50÷60%) испарение реакционной воды может обеспечивать отвод значительной (до половины) части генерируемого им тепла. В принципе, при увеличении электрического КПД генератора до ~75% возможно почти полное самоохлаждение ЭХГ. Такой КПД может регулироваться, например, при работе щелочных ЭХГ на небольших мощностях (токах), а также в перспективе при совершенствовании существующих генераторов. Условием полного охлаждения является (К=1), откуда с учетом (6) получаем:As can be seen from the table, even with ordinary ECH efficiency (50 ÷ 60%), the evaporation of reaction water can provide a significant (up to half) part of the heat generated by it. In principle, with an increase in the electrical efficiency of the generator to ~ 75%, an almost complete self-cooling of the ECG is possible. Such efficiency can be regulated, for example, when alkaline ECG is used at low capacities (currents), as well as in the future when improving existing generators. The condition for complete cooling is (K = 1), whence, taking into account (6), we obtain:
Если учесть, что ηЭ и
где QСГ - низкая теплота сгорания водорода (~120 МДж/кг),where Q SG is the low calorific value of hydrogen (~ 120 MJ / kg),
получим условие полного самоохлаждения ЭХГ:we obtain the condition of complete self-cooling of the ECG:
Осуществляется данный способ следующим образом. При работе ЭХГ из газов (водорода и кислорода), попадающих в ТЭ, получается жидкая реакционная вода, которую удаляют из ЭХГ и размещают в вакууме. Здесь она начинает испаряться, что приводит к ее охлаждению и возможно замерзанию поверхностного слоя.This method is implemented as follows. During the operation of ECG from gases (hydrogen and oxygen) entering the fuel cell, liquid reaction water is obtained, which is removed from the ECG and placed in a vacuum. Here it begins to evaporate, which leads to its cooling and possibly freezing of the surface layer.
Теплоноситель, охлаждающий ЭХГ и имеющий тепловой контакт с внешней системой охлаждения, после выхода из ЭХГ пропускают через эту воду, в результате чего он охлаждается и количество тепла, «выносимого» в бортовую систему охлаждения, снижается.The coolant cooling the ECG and having thermal contact with the external cooling system, after leaving the ECG is passed through this water, as a result of which it is cooled and the amount of heat "carried out" to the on-board cooling system is reduced.
При этом в стационарном режиме тепло, унесенное испарившейся водой, соответствует энергии, затраченной внешней системой охлаждения на конденсацию воды (см. таблицу).Moreover, in stationary mode, the heat carried away by the evaporated water corresponds to the energy expended by the external cooling system for condensation of water (see table).
Таким образом, предлагаемое решение создает предпосылки для более автономного использования ЭХГ в условиях вакуума, например на борту КА.Thus, the proposed solution creates the prerequisites for a more autonomous use of ECG in a vacuum, for example, on board a spacecraft.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010109660/07A RU2415497C1 (en) | 2010-03-15 | 2010-03-15 | Operating method of electrochemical generator on basis of hydrogen-oxygen fuel elements in vacuum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010109660/07A RU2415497C1 (en) | 2010-03-15 | 2010-03-15 | Operating method of electrochemical generator on basis of hydrogen-oxygen fuel elements in vacuum |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2415497C1 true RU2415497C1 (en) | 2011-03-27 |
Family
ID=44053013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010109660/07A RU2415497C1 (en) | 2010-03-15 | 2010-03-15 | Operating method of electrochemical generator on basis of hydrogen-oxygen fuel elements in vacuum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2415497C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2219075C1 (en) * | 2002-05-06 | 2003-12-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Vehicle with self-contained chemical supply source |
| US7396602B2 (en) * | 2002-12-16 | 2008-07-08 | Nuvera Fuel Cells Europe S.R.L. | Electrochemical generator and method for its utilisation |
| FR2914504A1 (en) * | 2007-03-30 | 2008-10-03 | Renault Sas | Electrochemical generator for generating electrical energy, has control unit including unit for increasing air flow admitted in fuel and temperature of generator, where control unit reduces air flow of cooling circuit in fuel cell |
-
2010
- 2010-03-15 RU RU2010109660/07A patent/RU2415497C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2219075C1 (en) * | 2002-05-06 | 2003-12-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Vehicle with self-contained chemical supply source |
| US7396602B2 (en) * | 2002-12-16 | 2008-07-08 | Nuvera Fuel Cells Europe S.R.L. | Electrochemical generator and method for its utilisation |
| FR2914504A1 (en) * | 2007-03-30 | 2008-10-03 | Renault Sas | Electrochemical generator for generating electrical energy, has control unit including unit for increasing air flow admitted in fuel and temperature of generator, where control unit reduces air flow of cooling circuit in fuel cell |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КОРОВИН Н.В. Электрохимические генераторы. - М.: Энергия, 1974, с.135. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101884282B1 (en) | System and method for supplying an energy grid with energy from an intermittent renewable energy source | |
| KR101572982B1 (en) | Waste heat recycling system for ship mounted with fuel cell | |
| US11575139B2 (en) | Fuel cell based power generator | |
| EP3983576A1 (en) | Integration of carbon dioxide absorption and water electrolysis in methanation | |
| NL9120025A (en) | APPLICATION OF FUEL CELLS IN ENERGY SUPPLY SYSTEMS. | |
| JP2008507113A (en) | Power plant / fuel cell system using integrated high-efficiency fossil fuels to suppress carbon dioxide emissions | |
| US20070235325A1 (en) | Thermoelectric conversion apparatus | |
| KR100998733B1 (en) | Hydrogen Generator and Fuel Cell Generator Having Same | |
| JP5496494B2 (en) | Power generation system | |
| JP2009043487A (en) | Generating system | |
| JP4624670B2 (en) | Integration of the functions of many components of a fuel cell power plant | |
| KR101565791B1 (en) | Waste heat recycling system for ship mounted with generator and fuel cell | |
| JP4838952B2 (en) | Hydrogen gas generator and generator | |
| Rahimipetroudi et al. | Efficient 5 kW-class solid oxide fuel cell (SOFC) hotbox design with off gas integration for power generation | |
| JPS5828176A (en) | Fuel-cell generation system | |
| RU2415497C1 (en) | Operating method of electrochemical generator on basis of hydrogen-oxygen fuel elements in vacuum | |
| US20150144364A1 (en) | Operator-Portable Power Supply of Maximum Specific Energy | |
| US7141216B2 (en) | System for sono-catalytic production of hydrogen | |
| JPH065301A (en) | Fuel cell power generation device equipped with water content separator | |
| JP7556445B1 (en) | Fuel Cell Power Generation System | |
| KR20200108143A (en) | Hydrogen charge/discharge system using hydrogen storage device | |
| RU2614242C1 (en) | Electrochemical generator | |
| Kim et al. | Compact PEM fuel cell system using chemical hydride hydrogen source for portable power generators | |
| WO2013087995A1 (en) | Method and arrangement for controlling water content of cell anode gas | |
| KR101817432B1 (en) | Fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210316 |