RU2660695C1 - Electrochemical hydrogen compressor - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrochemistry, including green energy, and can be used in transport energy systems and in space. Electrochemical hydrogen compressor includes strong body with inlet and outlet connecting legs. Package of electrically secured membrane electrode assemblies consists of proton-conducting membrane installed between flat gas-permeable cathode and anode contacting with the membrane surface. Assemblies are located inside the body and divide it into pneumatically isolated cavities, in each of which, except for extreme ones, contains cathode and anode of two adjacent blocks separated by gas-permeable insulators. Anodes and cathodes of all membrane-electrode assemblies are connected to corresponding common power supply buses of compressor. Anodes are connected directly, cathodes – via switches. Pneumatically insulated cavities of the body are connected by pneumatic crossover pipes with safety relief electropneumatic valves installed on them, which are connected in series to the electrical circuit of corresponding membrane electrode assemblies. Disconnecting of current in each of them leads to opening of its electropneumatic valve, and vice versa, opening of electropneumatic valve opens electrical circuit of the assembly.

EFFECT: reliability and safety that allows to use compressor in autonomous terrestrial power plants and in space are increased.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимии, в том числе к «зеленой энергетике», и может использоваться в транспортных энергосистемах и космосе.The invention relates to electrochemistry, including "green energy", and can be used in transport power systems and space.

В космосе актуальность данного предложения обусловлена перспективными проектами по производству ракетного топлива в условиях полета, при этом компонентами топлива служат водород и кислород, полученные электролизом воды. На этом, в частности, основана концепция «орбитальной дозаправки», предложенная еще фон Брауном. При этом на борту космических аппаратов (КА) необходимо получать водород высокого давления.In space, the relevance of this proposal is due to promising projects for the production of rocket fuel in flight conditions, while the components of the fuel are hydrogen and oxygen obtained by electrolysis of water. In particular, the concept of “orbital refueling”, proposed by von Braun, is based on this, in particular. At the same time, it is necessary to obtain high-pressure hydrogen on board spacecraft (SC).

В качестве аналога данного предложения может служить любой из существующих компрессоров водорода с давлением порядка 100 атм и выше (например, www ngpedia. Водородный компрессор. Большая энциклопедия нефти и газа). В таких машинах компримирование газа проводится в несколько приемов путем его поршневого сжатия с соблюдением многочисленных мер по безопасности (например, ПБ 03-598-03, 2015 г. раздел 15). Механические компрессоры других типов (винтовые, вибрационные и др.) при этом, как правило, не применяются по причине уникальных свойств газа. Специфика водорода (малая плотность, взрывоопасность, склонность к диффузии и др.) является также причиной того, что компрессоры имеют большие массогабаритные характеристики и сравнительно низкий КПД (около 40%). Они требуют постоянного техобслуживания, а их надежность оставляет желать лучшего. Благодаря всему этому применение механических компрессоров водорода в некоторых областях, в частности в космосе, бывает проблематичным. Помимо механических существуют также компрессоры, работающие на специальных физико-химических принципах, с использованием особенных свойств водорода. Так, для получения газа высокого давления может использоваться термосорбция, интерметаллидные сплавы (используются для хранения водорода на транспорте), поглощающие водород вещества, или вещества, реагирующие с ним (такой способ применяется, например, в никель-водородных аккумуляторах). Для обычных условий такие системы, как правило, не являются оптимальными, однако в специальных условиях их применение может быть вполне оправданным. «Немеханические» компрессионные системы таких типов не имеют подвижных элементов, что повышает их надежность, зато требуют специальных систем терморегулирования, а структура и состав вещества-поглотителя водорода со временем изменяется (например, интерметаллидные сплавы необратимо насыщаются водородом и рассыпаются), и его «водородная емкость» снижается.Any of the existing hydrogen compressors with a pressure of the order of 100 atm and above can serve as an analogue of this proposal (for example, www ngpedia. Hydrogen compressor. Large encyclopedia of oil and gas). In such machines, gas compression is carried out in several stages by means of its piston compression with the observance of numerous safety measures (for example, PB 03-598-03, 2015 Section 15). Mechanical compressors of other types (screw, vibration, etc.) in this case, as a rule, are not used due to the unique properties of the gas. The specificity of hydrogen (low density, explosiveness, tendency to diffusion, etc.) is also the reason that compressors have large mass and size characteristics and a relatively low efficiency (about 40%). They require ongoing maintenance, and their reliability is poor. Due to all this, the use of mechanical hydrogen compressors in some areas, in particular in space, is problematic. In addition to mechanical, there are also compressors operating on special physicochemical principles, using the special properties of hydrogen. So, to obtain a high-pressure gas, thermosorption, intermetallic alloys (used to store hydrogen in transport), hydrogen-absorbing substances, or substances reacting with it can be used (this method is used, for example, in nickel-hydrogen batteries). For ordinary conditions, such systems, as a rule, are not optimal, but in special conditions their use can be quite justified. "Non-mechanical" compression systems of these types do not have moving elements, which increases their reliability, but they require special thermal control systems, and the structure and composition of the hydrogen absorbing substance changes over time (for example, intermetallic alloys are irreversibly saturated with hydrogen and crumble), and its capacity "is reduced.

Более близким к предлагаемому решению является электрохимический компрессор водорода (ЭКВ), основным элементом которого служит протонопроводящая мембрана типа Нафион (наиболее распространенный коммерческий тип мембран), установленная в мембранно-электродном блоке (МЭБ). Стандартный МЭБ представляет собой сборку из такой мембраны (с нанесенным на ней катализатором) и двух плоских газопроницаемых электродов (катода и анода), контактирующих с ней с разных сторон. Электроды могут изготавливаться, например, из пористого металла. Помимо этих основных деталей МЭБ может включать также дополнительные газораспределительные пластины, суппорты, мембраны, силовые и герметизирующие прокладки и т.д. Такие элементы важны для конструкции МЭБ, но не играют принципиальной роли в его работе. МЭБ с мембранами Нафион широко применяются в современных топливных элементах и твердополимерных электролизерах воды [Assemblies (МЕА) Fuell Cell Store.www fuelcellstore.com., а также Membrane electrode assembly - wikipedia]. Для сжатия водорода МЭБ были предложены около 10 лет назад, и с тех пор принцип их работы был изучен как теоретически, так и экспериментально [А.А. Авдиенко, И.П. Жуков. «Исследования системы компрессирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом». Ж.: Успехи в химии и химической технологии, том 23, 2009, №8 (101), стр. 70-75]. Однако такие исследования проводились с применением только одной мембраны, поэтому уровень высокого давления ограничивался прочностью последней. Известно, что мембраны типа Нафион в существующих электрохимических ячейках (при средней толщине около 100 мк и диаметре 50-150 мм) выдерживают перепад давления 3-4 ати. Специальная доработка конструкции МЭБ позволяет работать при перепадах давления на мембране до 10-15 ати [А.А. Авдиенко, И.П. Жуков. «Исследования системы компрессирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом». Ж.: Успехи в химии и химической технологии, том 23, 2009, №8 (101), стр.70-75; «Высокоселективный электрохимический концентратор/компрессор водорода высокого давления». https//xpir.ru/project/1648/2 НИЦ «Курчатовский институт», проект 2008-2013 гг.; патент US 6361896 В1, опубл. 26.03.2002, МПК Н01М 4/86 (2006.01), С01В 31/20 (2006.01)]. В лабораторных условиях для одномембранной схемы был получен рекордный перепад около 50 атм [R. Strobel, M. Oszcipok, M. Fasil, B. Rohland, L. Jorissen, J. Garche. The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PE fuel cell design // J. of Power Sources. - 2002. - №105. - РР. 208-215]. Большие перепады давления нужны для дифференциального электролиза воды - это дает возможность обойтись без последующего компримирования водорода, при этом кислород можно выбрасывать в атмосферу. Для дальнейшего повышения допустимого перепада давления на мембране с этой целью были разработаны также специальные суппорты, позволяющие вести процессы при разнице давлений до ~140 атм [US 6916443 В2, опубл. 12.07.2005, МПК B22F 3/00 (2006.01), B22F 1/02 (2006.01); Dimensionally stable membrane - Giner Inc. www.ginerinc.com>dimensionally-stable-membrane]. Несмотря на то что такие суппорты заметно снижают рабочую поверхность мембраны, применение их в ЭКВ в принципе позволяет компримировать водород до этого давления, однако реализовать это на практике невозможно. Причиной является обратная диффузия молекулярного водорода через мембрану (в случае с кислородом этого практически нет). В [А.А. Авдиенко, И.П. Жуков. «Исследования системы компрессирования водорода на основе электрохимической ячейки с твердополимерным электролитом». Ж.: Успехи в химии и химической технологии, том 23, 2009, №8 (101), стр. 70-75] показано, что по этой причине рост давления за мембраной замедляется уже при перепаде давления на ней около 10 ати. При дальнейшем росте перепада давления прямой и обратные потоки водорода сравниваются и давление за мембраной расти перестает.Таким образом, ЭКВ с одной мембраной в принципе не позволяет получить давление водорода больше 10-15 атм.Closer to the proposed solution is an electrochemical hydrogen compressor (ECV), the main element of which is a proton-conducting membrane of the Nafion type (the most common commercial type of membrane) installed in a membrane-electrode unit (OIE). The standard OIE is an assembly of such a membrane (with a catalyst deposited on it) and two flat gas-permeable electrodes (cathode and anode) in contact with it from different sides. The electrodes can be made, for example, of porous metal. In addition to these basic parts, the OIE may also include additional gas distribution plates, calipers, membranes, power and sealing gaskets, etc. Such elements are important for the construction of the OIE, but do not play a fundamental role in its work. OIE membranes with Nafion membranes are widely used in modern fuel cells and solid polymer water electrolysers [Assemblies (MEA) Fuell Cell Store.www fuelcellstore.com., As well as Membrane electrode assembly - wikipedia]. OIEs were proposed for hydrogen compression about 10 years ago, and since then the principle of their operation has been studied both theoretically and experimentally [A.A. Avdienko, I.P. Zhukov. “Studies of a hydrogen compression system based on an electrochemical cell with a solid polymer electrolyte.” J.: Advances in Chemistry and Chemical Technology, Volume 23, 2009, No. 8 (101), pp. 70-75]. However, such studies were carried out using only one membrane, so the level of high pressure was limited by the strength of the latter. It is known that Nafion-type membranes in existing electrochemical cells (with an average thickness of about 100 microns and a diameter of 50-150 mm) withstand a pressure drop of 3-4 ati. A special refinement of the OIE design allows it to work with pressure drops on the membrane up to 10-15 atmospheres [A.A. Avdienko, I.P. Zhukov. “Studies of a hydrogen compression system based on an electrochemical cell with a solid polymer electrolyte.” J.: Advances in Chemistry and Chemical Technology, Volume 23, 2009, No. 8 (101), pp. 70-75; "Highly selective electrochemical concentrator / high pressure hydrogen compressor." https // xpir.ru / project / 1648/2 SIC "Kurchatov Institute", project 2008-2013; US patent 6361896 B1, publ. 03/26/2002, IPC Н01М 4/86 (2006.01), СВВ 31/20 (2006.01)]. In laboratory conditions, a record drop of about 50 atm was obtained for a single-membrane circuit [R. Strobel, M. Oszcipok, M. Fasil, B. Rohland, L. Jorissen, J. Garche. The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PE fuel cell design // J. of Power Sources. - 2002. - No. 105. - PP. 208-215]. Large pressure drops are needed for the differential electrolysis of water - this makes it possible to do without the subsequent compression of hydrogen, while oxygen can be released into the atmosphere. To further increase the permissible pressure drop across the membrane, special calipers have also been developed for this purpose, allowing processes to be carried out with a pressure difference of up to ~ 140 atm [US 6916443 B2, publ. 07/12/2005, IPC B22F 3/00 (2006.01), B22F 1/02 (2006.01); Dimensionally stable membrane - Giner Inc. www.ginerinc.com> dimensionally-stable-membrane]. Despite the fact that such calipers noticeably reduce the working surface of the membrane, their use in ECV in principle allows hydrogen to be compressed to this pressure, but it is impossible to put it into practice. The reason is the back diffusion of molecular hydrogen through the membrane (in the case of oxygen, this is practically nonexistent). In [A.A. Avdienko, I.P. Zhukov. “Studies of a hydrogen compression system based on an electrochemical cell with a solid polymer electrolyte.” J.: Advances in Chemistry and Chemical Technology, Volume 23, 2009, No. 8 (101), pp. 70-75], it is shown that for this reason, the pressure increase behind the membrane slows down even at a pressure drop of about 10 atm. With a further increase in the pressure drop, the direct and reverse flows of hydrogen are compared and the pressure behind the membrane ceases to grow. Thus, the EQF with one membrane in principle does not allow obtaining a hydrogen pressure of more than 10-15 atm.

Прототипом данному предложению служит многоступенчатый ЭКВ, основным элементом которого является пакет МЭБ, соединенных пневматически последовательно, так, что водород, выходя из каждого блока, кроме последнего, попадает на вход следующего [US 20040211679 А1, опубл. 28.10.2004, МПК C25D 17/00 (2006.01)]. Электрохимический компрессор водорода включает прочный корпус с входным и выходным штуцерами, а также пакет электроизолированных мембранно-электродных блоков, состоящих из протонопроводящей мембраны, установленной между плоскими газопроницаемыми катодом и анодом, контактирующими с поверхностью мембраны, упомянутые блоки размещены внутри корпуса и разделяют его на пневматически изолированные полости, в каждой из которых, за исключением крайних, находятся разделенные газопроницаемыми изоляторами катод и анод двух соседних блоков. Перепады давления на каждом из блоков пакета при этом суммируются, и на выходе ЭКВ давление превышает входное на сумму этих перепадов. В конструкции прототипа используются стандартные МЭБ с мембраной Нафион (что, вообще говоря, не принципиально), описанные ранее. При подаче на электроды МЭБ постоянного напряжения через мембрану начинают диффундировать протоны, а во внешней цепи начинается соответственно ток электронов, которые за мембраной рекомбинируют с протонами, снова образуя атомарный, а затем и молекулярный водород. Характерной особенностью прототипа является также то, что каждый МЭБ пакета имеет свой индивидуальный источник электропитания.The prototype of this proposal is a multi-stage ECV, the main element of which is a package of OIE connected pneumatically in series, so that hydrogen, leaving each block except the last, enters the input of the following [US 20040211679 A1, publ. 10.28.2004, IPC C25D 17/00 (2006.01)]. The electrochemical hydrogen compressor includes a robust housing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks, consisting of a proton-conducting membrane installed between a flat gas-permeable cathode and an anode in contact with the membrane surface, the said blocks are placed inside the housing and divide it into pneumatically isolated cavity, in each of which, with the exception of the extreme, are the cathode and anode of two adjacent blocks separated by gas-permeable insulators. The pressure drops on each of the blocks in the package are summed up, and at the output of the ECV, the pressure exceeds the input pressure by the sum of these drops. In the design of the prototype, standard OIEs with a Nafion membrane are used (which, generally speaking, is not important), described earlier. When a constant voltage is applied to the OIE electrodes, protons begin to diffuse through the membrane, and the current of electrons begins in the external circuit, which recombine behind the membrane with protons, again forming atomic and then molecular hydrogen. A characteristic feature of the prototype is that each OIE package has its own individual power supply.

К недостаткам прототипа нужно отнести, в первую очередь, повышенную вероятность поломки ЭКВ, рассчитанного на высокое давление (при этом вероятность отказа на низких давлениях такая же, как на высоких). Это связано с тем, что получить на мембране перепад давления водорода больше 10-15 атм уже трудно, поэтому ЭКВ на несколько сотен атмосфер должен иметь пакет из нескольких десятков МЭБ. Вероятность же выхода из строя пакета последовательно соединенных блоков очевидно пропорциональна числу блоков в пакете (и вероятности отказа отдельного блока). Таким образом, независимо от давления, на котором в данный момент работает ЭКВ, его надежность тем меньше, чем больше МЭБ содержит его пакет, т.е. чем выше максимальное рабочее давление компрессора. Тем самым для ЭКВ высокого давления (а также при повышенных требованиях по надежности и ресурсу, например, в автономных энергоустановках) необходимо предусматривать меры по парированию возможных отказов МЭБ. Существует две основные причины для этого:The disadvantages of the prototype should be attributed, first of all, the increased likelihood of breakdown of ECV, designed for high pressure (the probability of failure at low pressures is the same as at high). This is due to the fact that it is already difficult to obtain a hydrogen pressure drop of more than 10-15 atm on the membrane; therefore, an EEC for several hundred atmospheres must have a packet of several tens of OIE The probability of failure of a packet of series-connected blocks is obviously proportional to the number of blocks in the packet (and the probability of failure of an individual block). Thus, regardless of the pressure at which the ECB is currently operating, its reliability is less, the more the OIE contains its packet, i.e. the higher the maximum working pressure of the compressor. Thus, for high-pressure EQF (as well as with increased requirements for reliability and resource, for example, in autonomous power plants), measures must be taken to counter potential OIE failures. There are two main reasons for this:

- потеря герметичности мембраны (ее прорыв или дефект крепления);- loss of tightness of the membrane (its breakthrough or defect of fastening);

- потеря ее проводимости (например, при деградации или отслоении катализатора, а также при отключении индивидуального источника питания МЭБ). В первом случае ЭКВ остается работоспособным, лишь несколько падает давление на выходе, хотя работа источника питания дефектного МЭБ может нарушиться, и последствия будут более серьезными. Во втором случае переток водорода через пакет прекращается, давление внутри пакета растет и разрушает мембраны его «первых» блоков, в результате компрессор выходит из строя. Надежная работа ЭКВ требует естественно парировать такую возможность. Большие пакеты МЭБ требуют также большого числа индивидуальных источников электропитания, что также можно отнести к недостаткам прототипа, поскольку вероятность поломки одного из источников также возрастает с увеличением их числа, а отключение питания МЭБ приводит к «запиранию» последнего.- loss of its conductivity (for example, during degradation or detachment of the catalyst, as well as when the individual power supply of the OIE is disconnected). In the first case, the ECV remains operable, only the output pressure drops slightly, although the operation of the power supply of the defective OIE can be disrupted, and the consequences will be more serious. In the second case, the flow of hydrogen through the packet ceases, the pressure inside the packet rises and destroys the membranes of its “first” blocks, as a result, the compressor fails. Reliable EQ operation requires naturally countering this possibility. Large OIE packages also require a large number of individual power sources, which can also be attributed to the disadvantages of the prototype, since the probability of failure of one of the sources also increases with an increase in their number, and turning off the OIE power leads to the “locking” of the latter.

Задача данного предложения - разработка принципиальной схемы надежного ЭКВ с повышенным ресурсом автономной работы (например, в космосе или труднодоступных условиях на Земле).The objective of this proposal is to develop a conceptual scheme of reliable ECV with an increased battery life (for example, in space or inaccessible conditions on Earth).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и безопасности ЭКВ, делающих возможным его применение в автономных наземных энергоустановках и в космосе.The technical result of the invention is to increase the reliability and safety of ECV, making it possible to use it in autonomous ground-based power plants and in space.

Технический результат достигается тем, что в электрохимическом компрессоре водорода, включающем прочный корпус с входным и выходным штуцерами, а также пакет электроизолированных мембранно-электродных блоков, состоящих из протонопроводящей мембраны, установленной между плоскими газопроницаемыми катодом и анодом, контактирующими с поверхностью мембраны, упомянутые блоки размещены внутри корпуса и разделяют его на пневматически изолированные полости, в каждой из которых, за исключением крайних, находятся разделенные газопроницаемыми изоляторами катод и анод двух соседних блоков, аноды и катоды всех мембранно-электродных блоков подключены к соответствующим общим шинам электропитания компрессора, причем аноды подключены напрямую, катоды - через переключатели, а упомянутые выше пневматически изолированные полости корпуса соединены пневмоперемычками с установленными на них предохранительными электропневмоклапанами, которые включены последовательно в электрическую цепь соответствующих мембранно-электродных блоков так, что отключение тока в каждом из них приводит к открытию его электропневмоклапана, и наоборот, открытие электропневмоклапана размыкает электрическую цепь упомянутого блока.The technical result is achieved by the fact that in the electrochemical hydrogen compressor, comprising a robust housing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks consisting of a proton-conducting membrane installed between a flat gas-permeable cathode and an anode in contact with the membrane surface, the said blocks are placed inside the housing and divide it into pneumatically isolated cavities, in each of which, with the exception of the extreme ones, are separated by gas permeable with insulators, the cathode and anode of two adjacent blocks, the anodes and cathodes of all membrane-electrode blocks are connected to the corresponding common compressor power buses, the anodes being connected directly, the cathodes through switches, and the pneumatically insulated body cavities mentioned above are connected by pneumatic jumpers with safety electro-pneumatic valves installed on them, which are connected in series to the electrical circuit of the corresponding membrane-electrode blocks so that disconnecting the current in each of them leads to the opening of its electro-pneumatic valve, and vice versa, the opening of the electro-pneumatic valve opens the electrical circuit of the said block.

Суть предложения - в дополнительных мерах, предлагаемых для повышения надежности и безопасности ЭКВ. К таким мерам относятся:The essence of the proposal is in additional measures proposed to increase the reliability and safety of ECV. Such measures include:

- исключение взаимного влияния нарушений пневматического режима МЭБ в батарее;- elimination of the mutual influence of violations of the pneumatic mode of the OIE in the battery;

- установление автоматической связи между пневматическим и электрическим режимами работы отдельного МЭБ;- the establishment of automatic communication between the pneumatic and electrical modes of operation of a separate OIE;

- замена индивидуального питания МЭБ на монополярную схему питания компрессора в целом.- replacement of the individual power supply of the OIE by a monopolar power supply circuit of the compressor as a whole.

Схема ЭКВ представлена на фиг. 1. Он состоит из пакета стандартных МЭБ (на схеме показано четыре блока), размещенных в общем прочном корпусе (1), имеющем входной (9) и выходной (4) штуцеры. Принципиальная структура МЭБ иллюстрируется на примере первого «входного» блока пакета. Основными элементами МЭБ являются мембрана (6) и газопроницаемые электроды - катод (5) и анод (7), контактирующие с ее поверхностью. Второстепенные детали (оправка, газораспределительные пластины, герметизирующие прокладки и пр.) конструкции МЭБ на фиг. 1 не показаны, поскольку не оказывают принципиального влияния на работу МЭБ. Друг от друга МЭБ отделены газопроницаемыми изоляторами (8). Таким образом, катодная полость (т.е. полость, в которой размещен катод) каждого блока пневматически объединена с анодной полостью (т.е. полостью, в которой размещен анод) следующего блока (исключение составляют естественно крайние блоки пакета). В каждом МЭБ анодная и катодная полости соединены пневмоперемычками (2) с предохранительными электропневмоклапанами (3), настроенными на номинальный для мембраны перепад давления. Если все эти электропневмоклапаны закрыты, мембраны делят внутренний объем корпуса, в данном случае на пять пневматически изолированных полостей (число МЭБ в пакете + 1). Если же электропневмоклапаны открыты, то эти части объединяются пневмоперемычками (2) в общий объем. Это позволяет перед запуском ЭКВ продуть его водородом и установить везде начальное давление, равное входному. Электроснабжение ЭКВ осуществляется по монополярной схеме, т.е. все аноды (7) подключаются к своей шине (11) напрямую, а катоды (5) - к своей шине электропитания (10) - через переключатели (12). При этом электроприводы клапанов (3) каждого МЭБ включены в цепь электропитания этого блока (не показано) так, что при отключении тока в цепи МЭБ его электропневмоклапан (3) на пневмоперемычке (2) открывается и возникает байпасная линия в обход мембраны данного МЭБ.The ECV scheme is shown in FIG. 1. It consists of a package of standard OIEs (four blocks are shown in the diagram) located in a common rugged housing (1), which has an input (9) and an output (4) fitting. The basic structure of the OIE is illustrated by the example of the first “input” block of the package. The main elements of the OIE are the membrane (6) and gas permeable electrodes - the cathode (5) and the anode (7) in contact with its surface. Minor parts (mandrel, gas distribution plates, gaskets, etc.) of the OIE design in FIG. 1 are not shown, since they do not fundamentally affect the work of the OIE. OIE are separated from each other by gas permeable insulators (8). Thus, the cathode cavity (i.e., the cavity in which the cathode is placed) of each block is pneumatically combined with the anode cavity (i.e., the cavity in which the anode is placed) of the next block (the exception is naturally the outermost blocks of the packet). In each OIE, the anode and cathode cavities are connected by pneumatic jumpers (2) with safety electro-pneumatic valves (3), which are set to the pressure drop nominal for the membrane. If all these electro-pneumatic valves are closed, the membranes divide the internal volume of the body, in this case, into five pneumatically isolated cavities (the number of OIE in the package is + 1). If the electro-pneumatic valves are open, then these parts are combined by pneumatic jumpers (2) in a total volume. This allows you to blow it with hydrogen before starting the EEC and set everywhere the initial pressure equal to the inlet pressure. Electric power supply of electric energy supply is carried out according to a monopolar scheme, i.e. all anodes (7) are directly connected to their bus (11), and cathodes (5) are connected to their power bus (10) through switches (12). In this case, the valve electric actuators (3) of each OIE are included in the power supply circuit of this unit (not shown) so that when the current in the OIE circuit is switched off, its electro-pneumatic valve (3) on the pneumatic jumper (2) opens and a bypass line bypasses the membrane of this OIE appears.

Таким образом, в данной схеме все блоки пакета электрически соединены параллельно, а пневматически - последовательно, при этом электрический и пневматический режимы работы каждого блока взаимосвязаны.Thus, in this scheme, all blocks of the package are electrically connected in parallel, and pneumatically in series, while the electric and pneumatic modes of operation of each block are interconnected.

Работает предложенный ЭКВ следующим образом.The proposed ECV works as follows.

Перед включением электропитания компрессора, когда клапаны (3) открыты, его корпус (1) продувают водородом через штуцеры (9) и (4). При этом водород перетекает через катодные и анодные полости отдельных блоков по пневмоперемычкам (2). Переключатели (12) при этом отключены, т.е. электрические цепи блоков разомкнуты, поэтому при последующей подаче напряжения на шины электропитания (10) и (11) клапаны (3) не закрываются и катодные, и анодные полости каждого МЭБ пневматически связаны через пневмоперемычки (2).Before turning on the compressor power, when the valves (3) are open, its body (1) is purged with hydrogen through the fittings (9) and (4). In this case, hydrogen flows through the cathode and anode cavities of individual blocks through pneumatic jumpers (2). The switches (12) are turned off, i.e. the electrical circuits of the units are open, therefore, during the subsequent supply of voltage to the power supply buses (10) and (11), the valves (3) do not close, and the cathode and anode cavities of each OIE are pneumatically connected through pneumatic jumpers (2).

После окончания продувки подают напряжение на шины электропитания (11) и (10) от источника питания (не показан) и включают переключатель (12) первого МЭБ. Электрическая цепь этого блока замыкается, его клапан (3) на пневмоперемычке (2) закрывается, и блок начинает работу. В результате начинает повышаться давление водорода в корпусе (1) за этим блоком, а также в емкости (не показана), которая заполняется и подключена к штуцеру (4). После того, как там будет достигнут максимальный допустимый для МЭБ перепад давления, замыкают переключатель (12) второго МЭБ, и процесс повторяется. Давление в заполняемой емкости, таким образом, повышается ступенчатым образом, в процессе последовательного включения в работу МЭБ, входящих в пакет ЭКВ. В конце процесса все электропневмоклапаны (3) закрыты, переключатели (12) находятся в замкнутом состоянии и перетекания газа по пневмоперемычкам (2) не происходит.After the purge is completed, voltage is supplied to the power buses (11) and (10) from a power source (not shown) and the switch (12) of the first OIE is turned on. The electrical circuit of this unit closes, its valve (3) on the pneumatic jumper (2) closes, and the unit starts operation. As a result, the pressure of hydrogen begins to increase in the housing (1) behind this block, as well as in the tank (not shown), which is filled and connected to the fitting (4). After the maximum differential pressure allowed for the OIE is reached there, close the switch (12) of the second OIE, and the process repeats. The pressure in the filled tank, thus, increases stepwise, in the process of sequential inclusion in the operation of the OIE, included in the ECV package. At the end of the process, all the electro-pneumatic valves (3) are closed, the switches (12) are in the closed state, and gas does not flow through the pneumatic jumpers (2).

Если проводимость мембраны МЭБ по какой-либо причине падает, давление перед ней (в анодной полости блока) растет и приближаетя к давлению за мембраной (в его катодной полости), перепад давления на соответствующем электропневмоклапане (3) падает, он открывается, и электрическая цепь этого блока размыкается. Водород начинает обходить этот блок по перемычке (2), и компрессор продолжает работать.If the conductivity of the OIE membrane for some reason drops, the pressure in front of it (in the anode cavity of the block) increases and approaches the pressure behind the membrane (in its cathode cavity), the pressure drop across the corresponding electro-pneumatic valve (3) drops, it opens, and the electric circuit this block opens. Hydrogen begins to bypass this block through the jumper (2), and the compressor continues to run.

Таким образом, при «закупорке» одного из МЭБ дефектный блок автоматически исключается из работы, как пневматически, так и электрически. Режим работы остальных блоков при этом практически не меняется, что повышает надежность такого компрессора.Thus, during the “blockage” of one of the OIE, the defective unit is automatically excluded from operation, both pneumatically and electrically. The operation mode of the remaining units remains virtually unchanged, which increases the reliability of such a compressor.

Предложенный ЭКВ можно использовать в ракетно-космической технике как малогабаритный источник высокого давления в пневмосхемах изделий, а также как средство заправки водородных емкостей на напланетных станциях и на борту КА.The proposed ECV can be used in rocket and space technology as a small-sized source of high pressure in pneumatic circuits of products, as well as a means of refueling hydrogen tanks at planetary stations and onboard the spacecraft.

Claims (1)

Электрохимический компрессор водорода, включающий прочный корпус с входным и выходным штуцерами, а также пакет электроизолированных мембранно-электродных блоков, состоящих из протонопроводящей мембраны, установленной между плоскими газопроницаемыми катодом и анодом, контактирующими с поверхностью мембраны, упомянутые блоки размещены внутри корпуса и разделяют его на пневматически изолированные полости, в каждой из которых, за исключением крайних, находятся разделенные газопроницаемыми изоляторами катод и анод двух соседних блоков, отличающийся тем, что аноды и катоды всех мембранно-электродных блоков подключены к соответствующим общим шинам электропитания компрессора, причем аноды подключены напрямую, катоды - через переключатели, а упомянутые выше пневматически изолированные полости корпуса соединены пневмоперемычками с установленными на них предохранительными электропневмоклапанами, которые включены последовательно в электрическую цепь соответствующих мембранно-электродных блоков так, что отключение тока в каждом из них приводит к открытию его электропневмоклапана, и наоборот, открытие электропневмоклапана размыкает электрическую цепь упомянутого блока.An electrochemical hydrogen compressor, including a robust housing with inlet and outlet fittings, as well as a package of electrically insulated membrane-electrode blocks, consisting of a proton-conducting membrane mounted between a flat gas-permeable cathode and an anode in contact with the membrane surface, the said blocks are placed inside the housing and pneumatically separated isolated cavities, in each of which, with the exception of the extreme ones, are the cathode and anode of two adjacent blocks separated by gas-permeable insulators characterized in that the anodes and cathodes of all membrane-electrode blocks are connected to the corresponding common compressor power buses, the anodes being connected directly, the cathodes through switches, and the pneumatically isolated body cavities mentioned above are connected by pneumatic jumpers with safety electro-pneumatic valves installed on them, which are connected in series into the electric circuit of the corresponding membrane-electrode blocks so that turning off the current in each of them leads to the opening of its electric evmoklapana, and vice versa, the opening opens electropneumatic valve unit of said electrical circuit.

Images