автономный источник питания на топливных элементах

Формула изобретения

1. Автономный источник питания на топливных элементах, содержащий батарею, по крайней мере, из двух мембранно-электродных сборок, образующих общую топливную камеру, и средства для подвода анодного и катодного газов, отличающийся тем, что он содержит генератор водорода, включающий сменные картриджи для взаимодействующих реагентов, редукционный и предохранительный клапаны для регулирования давления анодного газа в топливной камере, блок преобразования выходного напряжения и блок управления клапанами, причем выход генератора водорода соединен через редукционный клапан с входом топливной камеры, выход которой соединен с атмосферой через предохранительный клапан, токовые выводы мембранно-электродных сборок соединены с входом блока преобразования выходного напряжения, первый выход которого соединен через указанный блок управления с управляющими входами редукционного и предохранительного клапанов, а второй выход блока преобразования выполнен с возможностью подключения к потребителю.

2. Автономный источник питания на топливных элементах по п.1, отличающийся тем, что мембранно-электродные сборки батареи выполнены в виде трехслойной градиентнопористой структуры на основе протонобменных мембран, а редукционный и предохранительный клапаны снабжены пьезоэлектрическим приводом запорных элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах, и может найти применение при создании автономных источников питания, в том числе для аппаратуры приема и обработки информации.

Известна энергоустановка на основе топливных элементов, содержащая сборку топливных элементов, батарею электролизных элементов, емкости для хранения водорода, кислорода, воды и систему трубопроводов, объединяющую указанные составляющие (см. патент США №5506066, МКИ 6 Н01М 8/04).

К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно сложную конструкцию энергоустановки, что связано с наличием в ней газожидкостного сепаратора, основной и дополнительной емкости для воды и батареи электролизных элементов.

Наиболее близким по технической сущности является автономный источник питания на топливных элементах, содержащий, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами, образующими общую топливную камеру, и средства для подвода анодного и катодного газов (см. патент США №5902691, МПК 6 Н01М 8/00, 1997 г. - прототип).

К недостаткам известного устройства следует отнести ограничения по использованию в качестве автономного источника питания для маломощных потребителей аппаратуры приема и обработки информации, в том числе из-за отсутствия интегрированной системы получения и подвода анодного газа и средств для регулирования его параметров.

Решаемой задачей является создание сравнительно простого и эффективного автономного источника питания на топливных элементах для питания маломощной аппаратуры приема и обработки информации, в том числе для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов. Дополнительной является задача уменьшения габаритов и повышение эксплуатационных характеристик источника питания при работе мембранно-электродной сборки топливных элементов на водороде и воздухе.

Указанная задача решается тем, что автономный источник питания на топливных элементах содержит батарею, по крайней мере, из двух мембранно-электродных сборок, образующих общую топливную камеру, и средства для подвода анодного и катодного газов, согласно изобретению он содержит генератор водорода, включающий сменные картриджи для взаимодействующих реагентов, редукционный и предохранительный клапаны для регулирования давления анодного газа в топливной камере, блок преобразования выходного напряжения и блок управления клапанами, причем выход генератора водорода соединен через редукционный клапан с входом топливной камеры, выход которой соединен с атмосферой через предохранительный клапан, токовые выводы мембранно-электродных сборок соединены с входом блока преобразования выходного напряжения, первый выход которого соединен через указанный блок управления с управляющими входами редукционного и предохранительного клапанов, а второй выход блока преобразования выполнен с возможностью подключения к потребителю.

Кроме того, мембранно-электродные сборки батареи могут быть выполнены в виде трехслойной градиентно-пористой структуры на основе протонобменных мембран, а редукционный и предохранительный клапаны могут быть снабжены пьезоэлектрическим приводом запорных элементов.

Такое выполнение автономного источника питания на топливных элементах позволяет создать сравнительно простое, компактное и эффективное устройство, в том числе для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов. Благодаря использованию в предложенном устройстве мембранно-электродных сборок на основе протонобменных мембран с трехслойной градиентно-пористой структурой, общей топливной камерой и свободными внешними катодными поверхностями для контакта с окружающим воздухом оказывается возможным предельно упростить конструкцию мембранно-электродных сборок и средства для подвода анодного и катодного газов.

Наличие в интегрированном источнике питания генератора водорода, содержащего сменные картриджи для взаимодействующих реагентов, обеспечивают его полную автономность на период эксплуатации до замены указанных картриджей. В качестве последних можно использовать картриджи, заполненные химически взаимодействующими с выделением водорода реагентами (вода, алюминий, натрий и др.).

Повышение эксплуатационных характеристик предложенного источника питания на заданном уровне выходной электрической мощности обеспечивается за счет стабилизации электрохимических режимов работы мембранно-электродных сборок при автоматическом регулировании давления анодного газа в топливной камере с помощью упомянутых клапанов и блока управления клапанами. Использование блока преобразования выходного напряжения в автономном источнике питания на топливных элементах, в свою очередь, обеспечивает его преобразование до заданных номинальных значений напряжения на входе потребителя.

На чертеже представлена блок-схема автономного источника питания на топливных элементах, содержащая две мембранно-электродные сборки, образующие общую топливную камеру.

Автономный источник питания на топливных элементах содержит батарею 1 из двух мембранно-электродных сборок на основе протонобменных мембран с трехслойной градиентно-пористой структурой, образующих общую топливную камеру 2. Средства для подвода анодного газа включают генератор 3 водорода, содержащий сменные картриджи для взаимодействующих реагентов (не показаны), редукционный и предохранительный пьезоэлектрические клапаны 4, 5 для регулирования давления анодного газа в топливной камере 2 и блок 6 управления клапанами. Блок преобразования выходного напряжения обозначен поз.7, а корпус автономного источника питания - поз.8.

Выход генератора 3 водорода соединен через редукционный пьезоэлектрический клапан 4 с входом топливной камеры 2, выход которой соединен с атмосферой через предохранительный пьезоэлектрический клапан 5. Токовые выводы последовательно включенных между собой мембранно-электродных сборок батареи 1 соединены с входом блока 7 преобразования выходного напряжения, первый выход которого соединен через блок 6 управления с управляющими входами пьезоэлектрических клапанов 4, 5, а второй выход блока 7 преобразования выполнен с возможностью подключения к заряжаемому аккумулятору сотового телефона (не показан).

Аноды мембранно-электродных сборок батареи 1 обращены друг к другу, причем в зазоре между анодами установлена дистанционирующая рамка из диэлектрика с каналами для доступа водорода к поверхности анодов топливной камеры 2. Наружные поверхности мембранно-электродных сборок батареи 1 со стороны катодных поверхностей имеют концевые пластины для фиксации элементов батареи в рабочем положении.

Батарея 1 топливных элементов благодаря использованию указанных средств для поддержания рабочих параметров анодного газа может быть выполнена на выходную электрическую мощность в несколько Вт, достаточную для питания маломощной аппаратуры приема и обработки информации, в том числе для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов. В автономном источнике питания на топливных элементах используется водород давлением до 0,1 МПа и воздух при нормальной температуре. Мембраны толщиной 25-150 мкм электродной сборки выполнены на основе материала NAFION. Газодиффузионные слои сборки могут быть выполнены из нетканого углеграфитового материала, концевые пластины - из металла (титан, нержавеющая сталь). В качестве сменных картриджей для генератора 3 водорода были использованы картриджи, заполненные химически взаимодействующими между собой активированным алюминием и водой.

Элементная база для блока 6 управления клапанами и блока 7 преобразования выходного напряжения является стандартной для аппаратуры указанного назначения, при этом блоки 6 и 7 могут быть снабжены встроенным микроаккумулятором и таймером для обеспечения контроля и функционирования при неработающей батарее 1 топливных элементов до ее включения.

Пьезоэлектрический привод клапанов 4, 5 выполнен в виде пластины из пьезобиморфного керамического материала с возможностью регулирования положения запорного элемента, при этом клапаны снабжены средствами для регулировки давления срабатывания редукционного и предохранительного клапанов 4, 5. Управляющее напряжение на выходах блока 6 управления клапанами находится в диапазоне 0-200 В. Использование в данном случае малогабаритных и надежных пьезоэлектрических регулируемых клапанов позволяет гибко реагировать на амплитудные и частотные характеристики управляющего напряжения для обеспечения требуемого расхода водорода на различных режимах работы батареи 1 топливных элементов.

Опытные экземпляры используемых в данном устройстве пьезоэлектрических клапанов были рассчитаны на расход водорода в диапазоне 1-20 мл/с при рабочем давлении до 0,2 МПа, в том числе в режимах регулировки рабочего расхода газа, сброса избыточного давления в водородном картридже или топливной камере, а также при ее продувке при запуске, при этом максимальное блокирующее усилие при настройке составляло 0,12 Н. Габаритные размеры пьезоэлектрических клапанов для управления газовыми потоками на проходных сечениях до 1 мм составляют: диаметр корпуса 6 мм, длина 40 мм и внутренний диаметр 4 мм.

Габаритные размеры одного из вариантов батареи топливных элементов в предложенном автономном источнике питания составляют 62×62×8 мм, сменного генератора 3 водорода - диаметр 40 мм, высота 30 мм, при этом общие габариты корпуса 8 устройства составляют 67×130×35 мм.

Автономный источник питания на топливных элементах работает следующим образом.

В корпус генератора 3 водорода вставляют подготовленные к работе сменные картриджи, заполненные активированным алюминием и водой, при химическом взаимодействии между которыми происходит выделение водорода. В начальный момент времени осуществляется продувка выделяющимся водородом топливной камеры 2 для ее освобождения от воздуха. При этом блок 6 управления запрограммирован на открытие редукционного и предохранительного клапанов 4, 5 в период продувки топливной камеры 2.

При выходе батареи 1 топливных элементов на рабочий режим давление водорода в топливной камере должно находиться в диапазоне 0,01-0,1 МПа при температуре до 30°С. При заданной выходной мощности 3 Вт на выходе блока 7 преобразования выходное напряжение составляет 5 В с допустимым отклонением 10 мВ. При этом время работы генератора водорода 3 должно составлять 0,5-1 час. В различные периоды работы генератора 3 давление в нем может изменяться в широких пределах и достигать 0,5 МПа, а температура корпуса - 50°С.

При работе устройства блок управления 6 обеспечивает регулируемую подачу водорода и поддержание оптимального давления водорода в топливной камере 2 путем подачи соответствующего напряжения на управляющий вход редукционного клапана 4. При этом предохранительный клапан 5, как правило, остается закрытым до тех пор, пока не произойдет резкое повышение давления водорода в топливной камере 2 или скачок напряжения на входе в блок 7 преобразования выходного напряжения. В этом случае клапан 4 срабатывает самостоятельно как механический предохранительный клапан или по сигналу от блока 6 управления клапанами. В период предварительной настройки пьезоэлектрические клапаны 4, 5 могут находиться в закрытом положении, когда токопроводящие покрытия на пьезоэлектрической пластине находятся под напряжением, полярность которого соответствует данному положению клапана. Открытие клапанов 4, 5 происходит в случае подачи на токопроводящие покрытия напряжения обратной полярности и за счет поддержания указанного уровня напряжения в соответствии с сигналами блока 6 управления.

В рабочем режиме регулируемый поток водорода проходит из генератора 3 через редукционный клапан 4 в топливную камеру 2. Время открытия и закрытия клапанов 4, 5 на различных режимах работы автономного источника питания подобрано экспериментально в зависимости от давления, расхода и влажности поступающего в топливную камеру 2 водорода, а также от выходного тока и напряжения батареи 1 топливных элементов.

Автономный источник питания на топливных элементах с предложенной интегрированной системой обеспечения ее работы разработан и испытан в Объединенном институте высоких температур РАН совместно с Национальной инновационной кампанией «Новые энергетические проекты» для использования в аппаратуре приема и обработки информации и, в частности, для зарядки блоков питания сотовых телефонов. Испытания подтвердили эффективность предложенного технического решения.