Патент RU 2835577 C1: передовая разработка в области эксплуатационной безопасности энергоустановок с водородными топливными элементами
28 февраля 2025 года в Государственном реестре изобретений Российской Федерации был зарегистрирован патент на инновационную водородную энергоустановку с комплексной системой безопасности. Это изобретение стало результатом работы группы специалистов из Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева – Шалухо Андрея Владимировича, Бедретдинова Рустама Шамилевича, Петрицкого Сергея Александровича, Липужина Ивана Алексеевича и Гусева Даниила Александровича. НГТУ им. Р.Е. Алексеева, выступивший патентообладателем этой разработки, в очередной раз подтвердил свой статус одного из ведущих центров технологических инноваций в России.
Разработанная коллективом авторов водородная энергоустановка представляет собой сложную интегрированную систему, где каждый компонент связан с другими через многоуровневую систему контроля и защиты. Энергоустановка размещается в огнезащитном металлическом шкафу, разделенном на четыре изолированных отсека прочными перегородками из толстолистовой стали с встроенными противопожарными панелями из изолирующего материала.
В первом отсеке расположен блок хранения водорода. Здесь установлен запорный вентиль для ручного управления подачей газа, а также датчик давления, который постоянно отслеживает входное давление водорода. Регулятор давления, оснащенный предохранительным клапаном, обеспечивает снижение давления до безопасного рабочего значения. Эти компоненты работают совместно, передавая информацию в блок управления, который анализирует параметры и контролирует безопасность подачи водорода.
Далее водород поступает во второй отсек – топливную магистраль. На входе в магистраль установлен огнепреградительный клапан, который служит первым барьером безопасности, предотвращая возможное распространение пламени в направлении хранилища водорода. За ним следует защитный электромагнитный клапан, готовый мгновенно перекрыть подачу газа по команде блока управления. На выходе из магистрали расположен регулятор расхода газа, который не только контролирует поток, но и измеряет количество проходящего водорода, передавая эти данные в систему управления для анализа.
В изобретении предложен способ обнаружения утечек, основанный на постоянном сравнении двух независимых измерений. Первое измерение производится на основе данных от датчиков давления и температуры на входе в систему, второе – с помощью регулятора расхода на выходе. Блок управления непрерывно сравнивает эти значения, и любое расхождение между ними служит сигналом возможной утечки. Эта система дублируется независимым датчиком концентрации водорода, который постоянно контролирует воздух в установке.
Особое внимание разработчики уделили температурному контролю. Датчик температуры не только участвует в расчетах расхода водорода, но и обеспечивает своевременное обнаружение перегрева. При повышении температуры выше критического значения срабатывает многоступенчатая система защиты. Противопожарная вентиляционная решетка, изготовленная из специального термореактивного материала, автоматически перекрывает поток воздуха при достижении температуры 160°C. Одновременно активируется автономное устройство пожаротушения, которое работает независимо от основной системы управления, обеспечивая дополнительный уровень защиты.
В третьем отсеке расположен сам топливный элемент, где происходит преобразование энергии водорода в электричество. Этот отсек также находится под постоянным контролем датчиков, отслеживающих все параметры работы.
Четвертый отсек содержит блок управления – "мозг" всей системы. Программируемый логический контроллер непрерывно обрабатывает информацию от всех датчиков, анализирует параметры работы и координирует взаимодействие всех компонентов. При обнаружении любых отклонений от нормы блок управления запускает последовательность защитного отключения: подает сигнал на электромагнитный клапан для прекращения подачи водорода, контролирует процесс остановки топливного элемента и активирует дополнительные системы защиты при необходимости.
Созданная коллективом НГТУ им. Р.Е. Алексеева система построена по принципу многоуровневой защиты, где каждый критический параметр контролируется несколькими независимыми способами. Такой подход обеспечивает не только своевременное обнаружение потенциальных проблем, но и их предотвращение, а в случае возникновения нештатной ситуации – минимизацию последствий. Важно отметить, что все компоненты системы связаны между собой через блок управления, но при этом критические защитные механизмы, такие как автономное устройство пожаротушения и термореактивная вентиляционная решетка, могут срабатывать независимо, обеспечивая дополнительный уровень безопасности.