энергетическая установка на основе электрохимического генератора

Формула изобретения

Энергетическая установка на основе электрохимического генератора, включающая по меньшей мере одну воздушно-алюминиевую батарею, контур подачи окислителя, систему циркуляции электролита с электролитной емкостью, систему удаления водорода, систему терморегулирования, отличающаяся тем, что контур подачи окислителя выполнен замкнутым с возможностью обеспечения продувки окислителя, система циркуляции электролита дополнительно снабжена успокоителем, гидрозатвором и регенератором водорода, соединенными трубопроводами с электролитной емкостью, а электролитная емкость дополнительно снабжена внутренним теплообменником и гидравлическими соединителями для слива и заправки электролита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимии и касается энергетических установок (ЭУ) на основе воздушно-алюминиевой батареи и может быть использовано в качестве силового источника тока в транспортных средствах.

Известна энергетическая установка на основе электрохимического генератора, включающая, по меньшей мере, одну воздушноалюминиевую батарею, электролитную емкость, систему циркуляции электролита, систему подачи окислителя, систему терморегулирования (патент США N 4950561, кл. H 01 M 8/02, 1990).

Недостатком известной энергетической установки являются ее сравнительно низкие удельные энергетические характеристики.

Известна также энергетическая установка на основе электрохимического генератора, содержащая батарейный и агрегатный отсеки, размещенные на общей силовой раме, по меньшей мере, одну воздушно-алюминиевую батарею, систему циркуляции электролита с электролитной емкостью, циркуляционным насосом и системой удаления водорода, соединенной трубопроводами с контуром подачи окислителя и системой циркуляции электролита, систему терморегулирования (патент США N 5147736, кл. H 01 M 8/04, 1992).

Недостатком известной энергетической установки является следующее.

Использование в установках двух компрессоров и двух насосов для обеспечения в пневмогидравлической системе подачи окислителя и электролита значительно повышает энергетические затраты установки. Большие размеры электродов (рабочая площадь составляет 950 см², что примерно в три раза больше, чем в изобретении) приводят к увеличению сопротивления циркуляции электролита и подачи окислителя в элементы, к неравномерному распределению электролита и окислителя по поверхности электродов и к увеличению объема водорода в элементах no попадания его в сепаратор. Вследствие этого снижается надежность установки, снижаются удельные энергетические характеристики и повышается пожаровзрывоопасность, что ограничивает область применения данной установки.

Целью изобретения является повышение надежности энергетической установки и расширение области применения за счет предотвращения пожаровзрывоопасности при достижении высоких удельных энергетических характеристик.

Цель достигается тем, что в известной энергетической установке на основе электрохимического генератора, включающей, по меньшей мере, одну воздушно-алюминиевую батарею, контур подачи окислителя, систему циркуляции электролита с электролитной емкостью, систему удаления водорода, систему терморегулирования, контур подачи окислителя выполнен замкнутым с возможностью обеспечения продувки окислителя, система циркуляции электролита дополнительно снабжена успокоителем, гидрозатвором и регенератором водорода, соединенными трубопроводами с электролитной емкостью, а электролитная емкость дополнительно снабжена внутренним теплообменником и гидравлическими соединителями для слива и заправки электролита.

Общим признаком изобретения и прототипа является наличие в энергетической установке воздушно-алюминиевой батареи, контура подачи окислителя, системы циркуляции электролита с электролитной емкостью, системы удаления водорода, системы терморегулирования.

Отличительными признаками является то, что в предлагаемой установке контур подачи окислителя выполнен замкнутым с возможностью обеспечения продувки окислителя, система циркуляции электролита дополнительно снабжена успокоителем, гидрозатвором и регенератором водорода, которые соединены трубопроводами с электролитной емкостью, а электролитная емкость дополнительно содержит внутренний теплообменник и гидравлические соединители для слива и заправки электролита.

Заявляемая совокупность и взаимосвязь отличительных признаков в известных источниках патентной и научно-технической литературы не обнаружены.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем.

Изобретение является промышленно-применимым, т.к. предназначено для использования в качестве экологически чистого силового источника тока в высокоскоростном электротранспорте, в электроцеховом напольном электротранспорте и других аналогичных устройствах, а также может быть использовано в качестве автономной резервной системы электропитания в системах телекоммуникаций, в удаленных объектах, например, на полевых станах.

Предлагаемая энергетическая установка обеспечивает автономный суточный пробег электромобиля не менее 400 км.

Состояние показателей удельной энергии, удельной мощности, габаритов и массы позволяет снизить массу системы электропитания по сравнению с традиционно используемыми химическими источниками тока в 6-8 раз.

Широкое применение энергетических установок на основе воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов позволит обеспечить замкнутый цикл использования основного энергоносителя данной системы - алюминия.

На фиг. 1 представлена энергетическая установка в собранном виде с 4-мя батареями. На фиг.2 изображен вид установки со стороны, противоположной агрегатному отсеку. На фиг.3 показана батарея с тремя элементами. На фиг.4 представлена схема соединений успокоителя, гидрозатвора и регенератора водорода с электролитной емкостью.

Энергетическая установка содержит четыре воздушно-алюминиевые батареи 1, электролитную емкость 2 и агрегатный отсек 3, собранные на общей силовой раме 4. Электролитная емкость 2, изготовленная из металла или неметалла, стойкого к водным щелочным растворам электролита в рабочем диапазоне температур 20 95^oC, снабжена внутренним теплообменником 5, обеспечивающим терморегулирование установки. Электролитная емкость 2 снабжена также гидравлическими быстроразъемными беспроливными соединителями 6, обеспечивающими заправку и слив электролита, смотровым окном 7 и имеет отверстия со штуцерами ( не показаны) для соединения электролитной емкости 2 с системой циркуляции электролита, включающей в себя ручной шприц-насос 8, электрический насос 9 и трубопроводы 10, и системой удаления водорода, включающей в себя успокоитель 11, гидрозатвор 12 и регенератор водорода 13. Успокоитель 11, гидрозатвор 12 и регенератор водорода 13 обеспечивают пожаровзрывобезопасность установки. Отверстия со штуцерами соединены с системой внутренних коллекторов 14, выполненных из трубок с отверстиями различных диаметров, обеспечивающих равномерное распределение электролита по внутреннему объему электролитной емкости 2. Электролит представляет собой водный раствор гидроксида щелочного металла, например, Na, K или их смеси. Внутренний теплообменник 5 электролитной емкости 2 соединен с системой терморегулирования, расположенной в агрегатном отсеке 3 и включающей в себя насос 15, холодильник-радиатор 16 с вентилятором 17 и расширительным бачком 18 и трубопроводы 19.

Система циркуляции электролита размещена в агрегатном отсеке 3 и соединена трубопроводами 10 с электролитной емкостью 2 и батареями 1.

Контур подачи окислителя размещен в агрегатном отсеке 3 и включает в себя входной фильтр 20, устройство отделения от углекислого газа 21, воздушный компрессор 22 и трубопроводы 23 для подвода и отвода окислителя, обеспечивающие соединение с батареями 1, а также соединение элементов контура подачи окислителя между собой.

Контур подачи окислителя выполнен замкнутым с возможностью обеспечения продувки окислителя посредством открытия продувочного клапана (на черт. не показан) при использовании в качестве окислителя воздуха.

Система удаления водорода, обеспечивающая взрывобезопасное удаление водорода из электролитной емкости 2 и его регенерацию, что повышает надежность установки и расширяет область ее применения за счет предотвращения пожаровзрывоопасности, расположена в агрегатном отсеке 3 и соединена трубопроводами 24 с электролитной емкостью 2 и контуром подачи-окислителя.

Система управления расположена в агрегатном отсеке 3 и включает в себя блок управления 25, датчик давления 26, датчик температуры 27 и обеспечивает взаимосвязь исполнительных электрических элементов описанных выше систем для достижения автономности энергетической установки и оптимальности режимов ее работы.

Агрегатный отсек 3 представляет собой рамную конструкцию с расположенными в нем элементами вспомогательных систем (системы терморегулирования, системы циркуляции электролита, контура подачи окислителя, системы удаления водорода, системы управления).

С противоположной по отношению к агрегатному отсеку 3 стороны на силовой раме 4 установлены электрические силовые разъемные соединители 28, обеспечивающие связь с внешним потребителем вырабатываемой электрической энергии. С этой же стороны расположена ручка фиксирующего замка 29, обеспечивающего крепление и фиксацию энергетической установки во внешнем устройстве пользователя. На силовой раме 4 со стороны агрегатного отсека 3 расположены направляющие конусы 30.

Для обеспечения возможности использования иного вида окислителя в элементах 31 батареи 1 выполнены каналы 32, образующие с трубопроводами 23 изолированные контуры. Аналогично выполнены и контуры системы подачи и отвода электролита, образованные каналами 33 и 34 в элементах 31 и трубопроводами 10.

Батареи 1 связаны между собой агрегатным отсеком 3, электролитной емкостью 2 и трубопроводами для подвода и отвода окислителя 23 и электролита 10.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Электролит по электролитной емкости 2 при помощи системы циркуляции электролита (в начале работы ручным шприц-насосом 8, а затем электрическим насосом 9) по трубопроводам 10 подается в батареи 1. Из батарей 1 электролит поступает в электролитную емкость 2. Окислитель кислород воздуха через входной фильтр 20, устройство очистки 21 от углекислого газа при помощи воздушного компрессора 22 подается в батареи 1 по трубопроводам 23. Из батареи 1 отработанный воздух удаляется в окружающее пространство через открытый продувочный клапан. В случае использования в качестве окислителя чистого кислорода продувочный клапан закрывается.

Тепловая энергия, образующаяся в процессе реакции в батарее 1, выносится потоком электролита, который таким образом выполняет функцию первого контура теплообмена. Из электролитной емкости 2 тепловая энергия удаляется при помощи системы терморегулирования, выполняющей функцию второго контура теплообмена. Контроль температуры осуществляется системой управления, которая по мере надобности включает и выключает насос 15 и вентилятор 17 системы терморегулирования. Контроль давления в канале подачи окислителя осуществляется также системой управления.

Образующийся в батарее 1 в процессе растворения алюминия в водном щелочном электролите водород выносится потоком электролита в электролитную емкость 2, где за счет градиента скорости потока и температуры происходит его отделение от жидкости. Отделившийся водород через успокоитель 11 и гидрозатвор 12 по трубопроводам 24 поступает в регенератор водорода 13, где сгорает на катализаторе (например, платина-палладиевом), а образующаяся вода перетекает по трубопроводу в электролитную емкость 2. Образующийся в батарее 1 в процессе реакции гидроксид алюминия выносится потоком электролита в электролитную емкость 2, где за счет градиента скорости потока и температуры происходит его отделение от жидкости. Осажденный гидроксид алюминия удаляется из электролитной емкости 2 после окончания цикла работы путем принудительного барботирования горячим электролитом через быстроразъемные беспроливные соединители 6 с последующим отсосом образующейся взвеси через указанные соединители, а электролитная емкость 2 заполняется электролитом. Образующаяся в процессе работы электрическая энергия потребляется внешним устройством, которое подключается к силовым разъемным соединителям 28, расположенным на силовой раме 4.

Эксплуатационные характеристики предлагаемой энергетической установки и прототипа представлены в таблице.

Как видно из таблицы, предлагаемая энергетическая установка по сравнению с прототипом позволяет достичь повышения удельных энергетических характеристик, например, повышения удельной мощности до 0,40 ВА/см², при этом удельная энергия составляет около 350 Втч/кг.