Устройство для получения электрической энергии постоянного тока

Изобретение относится к области создания эффективных химических источников тока, обеспечивающих непосредственное преобразование окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, минуя малоэффективный (идущий с большими потерями) процесс горения. Согласно изобретению на широко используемый топливный элемент (ТЭ) трубчатой топологии, в котором совершается процесс преобразования окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, надевается «рубашка» в виде трехслойной разрезной трубчатой конструкции, где внутренний и наружный слои являются токовыми контактами, а средний представляет собой полупроводниковую структуру, изготовленную на основе сульфида самария (SmS). Данная «рубашка» является термоэлектрическим преобразователем (ТЭП), обладающая свойством вырабатывать эдс при равномерном нагреве. Таким образом, под воздействием избыточного тепла, выделяемого ТЭ, в ТЭП возникает собственная эдс которая суммируется с эдс топливного элемента. Техническим результатом является повышение эффективности (КПД по вырабатываемой электрической энергии) комбинированной системы более чем на 20%. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к разработке новых эффективных химических источников тока, обеспечивающих непосредственное преобразование окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, минуя малоэффективный (идущий с большими потерями) процесс горения.

Область применения - объекты аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, нефтяной промышленности и других отраслей, где существует потребность в автономных источниках энергии.

Известны твердотельные оксидные топливные элементы трубчатой топологии. Описание конструкции топливного элемента (ТЭ) опубликовано в [6], а также SOFC, выпускаемые серийно фирмой "Siemens Westinghouse". Данные устройства представляют собой ТЭ с твердым электролитом. Электрическая энергия в ТЭ получается при соединении водорода с кислородом напрямую в результате электрохимической реакции. Продуктом реакции, кроме электрической энергии, является также перегретая вода при температуре более 250°C, которая в виде пара используется для привода микротурбинного генератора. КПД ТЭ по вырабатываемой электрической энергии составляет 40%. Остальная часть энергии, получаемая в результате окислительной реакции, передается в окружающую среду в виде тепла. Частично вырабатываемое тепло за счет микротурбинного генератора превращается в электрическую энергию, что повышает КПД ТЭ на 5-10%.

Таким образом, более 50% энергии топлива бесполезно рассеивается в атмосфере.

Известны термоэлектрические преобразователи-генераторы (ТЭП) [1…5], содержащие полупроводник на основе сульфида самария, в них генерируется термо-ЭДС при равномерном нагреве всего элемента. Описание устройства приведено в [5]. В сравнении с термоэлектрическими преобразователями (генераторами), работающими на основе использования широко известного термоэлектрического эффекта Зеебека [7], SmS-термоэлектрогенераторы имеют два принципиальных преимущества, которые обеспечивают конструктивную возможность и энергетическую целесообразность в создании предлагаемого устройства, т.е. топливного элемента вкупе с термоэлектрическим преобразователем (ТЭТЭП):

1) отпадает потребность в обеспечении разности температурных потенциалов в элементах термоэлектрического генератора (термопары), что обеспечивает (принципиально упрощает) конструктивное решение ТЭТЭПа;

2) КПД SmS-термоэлектрогенератора в 4 раза выше, чем у традиционных (зеебековских) термоэлектрогенераторов. По результатам экспериментальных исследований [1…5] среднее значение КПД SmS-термоэлектрогенератора - 40%, в то время как у традиционного КПД не превышает 10%.

Устройств, обеспечивающих совместное функционирование топливных элементов и термоэлектропреобразователей, не обнаружено.

Целью изобретения является повышение КПД по электрической составляющей при протекании окислительно-восстановительной реакции в топливном элементе.

Цель достигается тем, что создано устройство для получения электрической энергии постоянного тока, представляющее собой комбинированную конструкцию топливного элемента и термоэлектропреобразователя.

Для этого предложено использовать ТЭП, как «рубашку» к ТЭ. В соответствии с конструктивными решениями, представленными в [1…5], допускается изготовление SmS-термоэлектрогенератора в виде плоской трехслойной конструкции. Предложено эту конструкцию выполнить в виде разрезной трубы (т.е. свернуть плоскую трехслойную конструкцию в виде трубки), которая плотно одевается на ТЭ, чем обеспечивается надежная электрическая связь между ТЭ и ТЭП и при протекании окислительного процесса внутри ТЭ большая часть выделяемой тепловой энергии передается ТЭП и благодаря электрической связи между ТЭ и ТЭП при замыкании этой цепи на потребитель обеспечивается возникновение в комбинированном устройстве суммарной электродвижущей силы (фиг.1).

Как уже отмечалось, КПД твердотельного оксидного ТЭ типа SOFC трубчатой топологии производства компании «Siemens Westinghouse Power Corporation» составляет 40% (см. также [6]). Следовательно, остаточное тепло после реакции окисления в ТЭ составит 60% от всего количества энергии, выделенной в результате этой реакции.

В настоящей конструкции на топливный элемент надета «рубашка» из SmS-термоэлектрогенератора, поглощающая это избыточное тепло, при этом часть теплоты (40% согласно исследований [1…5]) превращается в электроэнергию, что обеспечивает повышение общего КПД комбинированной системы на 60×0,4=24%.

Таким образом, общий КПД комбинированной системы (ТЭТЭПа) по электрической мощности составляет 64%.

Следует отметить, что оставшиеся 36% тепловой энергии в виде выбросов горячих водяных паров из топливных элементов могут быть направлены в микротурбинный генератор для выработки электрической энергии. При этом общий КПД топливного элемента может повыситься еще на 5…10%.

Базовые элементы предлагаемого устройства хорошо сочетаются по рабочим температурным режимам и величине генерируемого напряжения постоянного тока. Согласно [7] большинство реакций в отдельной ячейке ТЭ обеспечивает ЭДС с напряжением около 1 В, а рекомендуемый температурный режим ТЭ - более 250°C. В соответствии с исследованиями [1…4] разработчиков ТЭПа на основе SmS рабочий интервал температур +130-500°C, а генерируемое постоянное напряжение 0,5-1,5 В. Эти два обстоятельства подтверждают техническую возможность совместной комбинации ТЭ и ТЭП выбранных конструкций.

На фиг.1 представлено устройство в виде комбинации известного топливного элемента трубчатой топологии конструкции «Siemens Westinghouse Power Corporation» (элемент I) с модернизированным SmS-термоэлектрогенератором в виде «рубашки» (элемент II), одеваемой на внешний корпус ТЭ. Электрический контакт образуется за счет плотного надевания ТЭП на ТЭ. Элемент I содержит канал 1 для подачи воздуха (кислорода), катод 2, канал 3 для подачи топлива (водорода), твердый электролит 4, анод 5. Элемент II содержит катод 6, полупроводник на основе SmS 7, анод 8.

Признаки новизны следующие.

1) В результате комбинации ТЭ+ТЭП получаем устройство с новыми свойствами, а именно с гораздо более высоким КПД по вырабатываемой электроэнергии при протекании окислительной реакции одного и того же количества топлива в ТЭ (каждый элемент, составляющий установку, в отдельности имеет КПД 40%, а комбинированная установка - 64%).

2) В комбинированной установке обеспечивается электрическая связь между элементами.

3) ТЭП изготавливается в виде пустотелой трехслойной трубы, в отличие от известных прототипов, которые изготавливаются или радиальной, или плоской формы (см. [1…5]).

4) Особенностью механического соединения элементов между собой является то, что ТЭП одевается на ТЭ в виде концентрической «рубашки».

Устройство работает следующим образом.

В элементе I (ТЭ) происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую за счет взаимодействия топлива, подаваемого в канал 3, с окислителем, подаваемого из канала 1. В результате на электродах топливного элемента I (катоде 2 и аноде 5) происходит накопление электрического потенциала.

При этом большая часть энергии электрохимического горения (примерно 60%) превращается в тепло. Эта тепловая энергия поглощается элементом II, плотно облегающим элемент I. Ввиду того, что элемент II (ТЭП) представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из катода 6, полупроводника 7 на основе SmS и анода 8, в нем под воздействием тепла также возникает собственная эдс.

Плотное соединение элементов обеспечивает надежную электрическую связь. При этом возможно последовательное соединение - анод элемента I соединяется с катодом элемента II (фиг.2) или параллельное соединение - анод элемента I соединяется с анодом элемента II (фиг.3).

ЛИТЕРАТУРА

1. М.М.Казанин, В.В.Каминский, С.М.Соловьев. Аномальная термоэдс в моносульфиде самария. ЖТФ, 2000, т.70, в.5, стр.136-138.

2. В.В.Каминский, С.М.Соловьев. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS. ФТТ, 2001, т.43, в.3; стр.423-426.

3. В.В.Каминский, А.В.Голубков, Л.Н.Васильев. «Дефектные ионы самария и эффект генерации электродвижущей силы в SmS». ФТТ, 2002, т.44, вып.8, с.1501-1505.

4. В.В.Каминский, Л.Н.Васильев, М.В.Романова, С.М.Соловьев. Механизм возникновения электродвижущей силы при нагревании монокристаллов SmS. ФТТ, 2001, том 43, в.6, стр.997-999.

5. Патент РФ 2303834, H01L 37/00. Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора / В.В.Каминский, А.В.Голубков, М.М.Казанин, И.В.Павлов. С.М.Соловьев, Н.В.Шаренкова. - Опубл. в БИ №21, 2007.

6. Патент РФ 2332754 C1, Н01М 8/12. В.П.Коржов, С.И.Бредихин, В.В.Кведер и др. Трубчатый твердооксидный топливный элемент с металлической опорой. Опубл. в БИ №24, 2008.

7. Кромпстон Т. Источники тока. М., 1985, 1986.

1. Устройство для получения электрической энергии постоянного тока, отличающееся тем, что представляет собой комбинацию топливного элемента (ТЭ) трубчатой топологии с термоэлектрическим преобразователем (ТЭП), изготовленного в виде трехслойной разрезной трубы, внутри которой помещен преобразующий элемент из полупроводникового материала на основе сульфида самария, и плотно одетой на внешнюю поверхность (анод) ТЭ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между ТЭ и ТЭП обеспечивается параллельное или последовательное электрическое соединение.