Электрохимический генератор

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (и) 3(51) F 24 3 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и ФВ 1 хаю

°

О»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA

Н A8TOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3278272/24-06 (22) 13 ° 04.81 (46) 30.09.83. Бюл. М 36 (72) В.й. Дроздов, Н.В. Оболенский и С.A. Сидорцев (71) Научно-исследовательский институт строительной Физики Госстроя СССР (53) 662.997(088.8) (56 ) 1 ° Патент СНА М 351 17 15 р кл. 136-86, опублик ° 1966. (54)(57) элкктРОхимичкский Гкнкжтор, содержащий электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов, разделенных пористыми электродами с заключенным между ними электролитом на полости высокого и низкого давления, испаритель и конденсатор рабочего тела, гидравлнчески связанные с сосудами, сборник конденсата рабочего тела и насос для его перекачки,о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения КПД и упрощения эксплуатации путем использования солнечной энергии, верхние части сосудов и испарнтеля выполнены оптически прозрачными и снабжены по периметру концентраторами солнечного излучения, а нижние выполнены из теплопроводного материала, служат конденсатором и снабжены охладителем, включающим аккумулятор тепла, теплообменник и насос с трубопроводами для теплоносителя, а нижние части испарителя и сборника конденсатора расположены Я с тепловым контактом один относитель.. но другого.

969079

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к элехтрохимическим генераторам, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Известен электрохимический генератор, содержащий электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов, разделенных пористыми электродами с заключенным между ними электролитом на полости высокого и низкого 10 давления, испаритель и конденсатор рабочего тела, гидравлически связан- ные с.сосудами, сборник конденсата рабочего тела и насос для его перекачки (1) .

Термодинамический цикл такого генератора характеризуется следующим.

В испарителе к йоду (рабочему телу) подводится тепловая энергия Q„ при максимальной температуре цикла — Т „ о и происходит испарение йода.Пар йода через подвОдящий трубопровод пара высокого давления с параметрами Т, исп

Р поступает в полости высокого давгения токогенерирукщих ячеек, которые представляют собой сосуды, разделенные перегородками из пористых никеле вых электродов с заключенным между ними электролитом, йодистым свинцом, ц на две полости — высокого и низкого авления пара рабочего тела,и ограниченные непрозрачными и нетеплопроводными верхними и нижними наружными стенками.

Вследствие разности термодинами- 35 ческих потенциалов (т.д.п.} рабочего тела в полостях ячеек, обусловленной разницей давлений пара, на их электродах возникает электродвижущая

=ила (ЭДС), появляется электрический 4g ток и вырабатывается электрическая энергия Ч9 . Пар йода низкого давления из полостей низкого давления ячеек с параметрами Т„р, Р„,„ через отводящий трубопровод пара низкого давления поступает в регенеративный геплообменник, где охлаждается и с параметрами Т„н,, Р„,„ поступает в конденсатор, где конденсируется, отдаэая в окружающую его среду теплоту

<онденсации йода „ „„. Сконденсирозанный йод поступает в сборник конденсата рабочего тела, а затем через грубопровод рабочего тела — к насоу, где сжимается до начального давления Р д . Для своей работы насос бз ютребляет часть электрической энер ии Ы„, выработанной ячейками. Затем жидкий йод с параметрами Т„,„, Р„, (оступает в регенеративный теплооб енник, где подогревается до макси- 60 альной температуры цикла Tä „, при том его давление остается неизмен ым Р1,д„, и вновь поступает в испа итель. Термодинамический цикл генеатора замкнут. Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии.

В теоретическом цикле (Т-S диаграмма) такого генератора процессы подвода и отвода тепла изотермичны.

Цикл состоит .из двух изотерм и двух эквидистантных изобар, т.е. он эквивалентен циклу Карно. Поэтому КПД преобразования тепловой энергии в электрическую таким генератором может быть максимально близким к предельному КПД цикла Карно. Это является главным достоинством электрохимического генератора.

Однако в известном генераторе не предусмотрен подвод тепла непосредственно к токогенерирующим ячейкам с тем, чтобы избежать явления тепловой поляризации, связанного с понижением температуры ячеек за счет снятия с них нескомпенсированной теплом электрической мощности.

Реальный цикл генератора по этой причине будет отличаться от оптимального тем, что изотерма рабочего процесса выработки электрической энергии Т „ будет располагаться между изотермами испарения Т> и конденесп сации Т„р„ . Очевидно, это обстоятельство снизит КПд цикла и ухудшит электроэнергетические характеристики генератора.

K недостаткам генератора следует отнести также сложность подготовки его к работе. При температуре окружающей среды йод находится в твердом состоянии,.а в генераторе не предусмотрен подвод тепла к трубопроводу, соединяющему конденсатор с испарителем.

Целью изобретения является повы-, шЕние КПд генератора и упрощение его эксплуатации путем использования солнечной энергии.

Цель достигается тем, что в электрохимическом генераторе, содержащем электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов, разделенных пористыми электродами с заключенным между ними электролитом на полости высокого и низкого давления, испаритель и конденсатор рабочего тела, гидравлически связанные с сосудами, сборник конденсата рабочего тела и насос для его перекачки, верхние части сосудов и испарителя выполнены оптически прозрачными и снабжены по периметру концейтраторами солнечного излучения, а нижние выполнены из теплопроводного материала, служат конденсатором и снабжены охладителем, включающим аккумулятор тепла, теплообменник и насос с трубопроводами для теплоносите я, а нижние части испарителя и сборника конденсата расположены с тепловым контактом один относительно другого.

969079

На фиг. 1 показана конструктивная схема генератора; на фиг. 2 — генератор, план; на фиг. 3 — .термодинамический цикл предложенного генератора показан сплошными линиями, известного генератора — пунктирными; на фиг.. 4 — расчетные характеристики генератора.

Электрохимический генератор содержит электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов 1 (фиг. 1 ), разделенных пористыми электродами 2 с заключенным между ними электролитом 3 на полости 4 и 5 высокого и низкого давления соответственно,ис- 35 паритель б и конденсатор 7 рабочего тела, гидравлически связанные с сосудами 1,, сборник 8 конденсата рабочего тела и насос 9 для его перекачки. 20

Верхние части 10 сосудов11 и верхняя часть 11 испарителя 6 выполнены

|оптически прозрачными и снабжены по периметру концентраторами 12 солнечного излучения. 25

Нижние части 13 сосудов 1 и нижняя часть 14 испарителя б выполнены из теплопроводного материала. Нижние части 13 сосудов 1 служат конденсатором 7 и снабжены охладителем 15, 30 включающим аккумулятор 16 тепла,теплообменник 17, насос 18 с трубопроводами 19 для теплоносителя.

Нижняя часть 14 испарителя 6 и . сборник 8 конденсата рабочего тела расположены с тепловым контактом от35 носительно друг друга.

Сосуды 1 имеют, например,. прямоугольную форму. и выполнены иэ керамики. Пористые электроды 2 выполнены никелевыми. Электролитом 3 служит 40 йодистый свинец с проводимостью по .иону рабочего тела (йода). Электролит 3 обеспечивает газоплОтность между полостями 4 и 5. Электролит 3 обеспечивает .газоплотность между 45 полостями 4 и 5. Электроды 2 имеют . оковыводы 20. Три токогенерирующие чейки электрически соединены между собой. например последовательно.

Токогенерирующие ячейки выполнены практически в виде коллекторов солнечной энергии-, к которым по периметру примыкают плоские концентраторы 12, расположенные под углом 120 к верхней части 10 сосудов 1 (ячеек), выполненной в виде прозрачной плоской стенки. Концентраторы 12 на сосудах 1 могут быть закреплены шарнирНо и складываться. Верхние частй 10 сосудов 1 могут быть выполнены из двух, трех слоев стеклй, установленных с зазора-® ми, которые вакуумированы для, уменьшения потерь тепла. Токогенерирующие ячейки расположены неподвижно под углом 37-45 к горизонту в зависимости от широты местности, в которой 65 установлен генератор. Степень концентрации излучения порядка 7-10.

Нижние части 13 сосудов 1 выполнены, например, из нержавеющей стали и имеют развитую поверхность теплообмена, являясь конденсатором 7 паров рабочего тела (йода) низкого давления.

Керамические стенки сосудов 1 с внешней стороны теплоиэолированы.Отводящий трубопровод 21 конденсата ,рабочего тела выполнен иэ нержавеющей стали, теплоизолирован и соединяет полости 5 низкого давления сосудов 1 со сборником & конденсата рабочего тела.

Испаритель 6 представляет собой коллектор. солнечной энергии в форме плоского сосуда, изготовленного; например, из нержавеющей стали и заполненного рабочим телом, например йодом. Поверхность испарителя, обращенная к солнцу, имеет степень черноты, близкую к единице. Она теплоизолирована от окружающей среды двух- или трехслойным стеклом с вакуумными промежутками (не показаны).

Испаритель 6 теплоизолирован для уменьшения потерь тепла ° К боковым граням испарителя б по периметру примыкают плоские концентраторы 12, о расположенные под углом 120 к поверхности испарителя б,.восприни-. мающей солнечную радиацию.

Закрепление плоских концентраторов на стенках испарителя 6 аналогично закреплению плоских концентраторов на сосудах 1.

Испаритель б расположен неподвижно под углом 37-45" к горизонту, в зависимости от широты местности, на которой установлен генератор.

Подводящий трубопровод 22 пара йода высокого давления представляет собой теплоизолированный с внешней стороны распределительный трубопровод, выполненный из нержавеющей стали, и соединяющий испаритель 6 с токогенерирующими ячейками (сосудами 1).

Сборник 8 конденсата рабочего тела представляет собой теплоизолированный с внешней стороны сосуд в виде бачка для сбора сконденсированного рабочего тела и изготовлен из нержавеющей стали. Он расположен на теп лопроводной нижйей части 14 испарителя 6, не подвергающейся солнечному облучению. Площадь контакта бачка с испарителем 6 является поверхностью теплообмена.

Трубопровод 23 рабочего .тела также расположен на нижней части 14 испарителя 6 и площадь его контакта с испарителем б тоже является поверхностью теплообмена. Трубопровод сделан из нержавеющей стали, теплоизолирован с

969079 внешней стороны и соединяет сборник

8 конденсата рабочего, тела с испарителем 6.

Насос 9 для прокачки рабочего тела вода 23 и сл жит я установлен в нижней части трубопро- . Одновременно с с процессами разоа и служит для подачи жидкого 5 греза и кипения йода в испарит л б р бочего тела из сборника 8 конден- за счет передачи тепла че парителе сата в испа итель б ачи тепла через его нижр ель б.- Для своей ра- нюю теплопроводную часть 14 будут боты насос 9 пот ебляет р часть элект- происходить процессы нагрева твердорической энергии, вырабатываемой re- ro Йода и его плавлени б нератором. ния в с орнике. м., 10 8 конденсата рабочего тела и трубоОбратный клапан 24 расположен на проводе 23. Предельная температура трубопроводе 23 у входа в испари- - нагрева йода 115-120ОС тель б и обеспечивает устойчивую чтобы не повышать минимальное давциркуляцию рабочего тела в генера- ление пара йода. Давлени а. авление насыщенных торе (по стрелкам на фиг. 1,2). паров йода при температуре 120 >С

Охладитель 15 теплоизолирован от равно 10 атм. окружающей его среды и состоит из Из испарителя б пар йода с давлерасположенных под нижними частями 13 нием 1 атм и температурой 200ОC IIO сосудов 1, камер 25 теплоносителя, подводящему трубопроводу 22 пара высвязанных с расположенным в аккуму20 сокого давления поступает в голост о и ляторе 16 тепла змеевиковым теплооб- 4 сосудов 1. менником 17, и насоса 18 для прокач- Тепловая энергия сконцентрированки теплоносителя. ного солнечного излучения S проходяКаме 25

Ф амеры 25 выполнены, например, щего через прозрачные верхние части

25 из нержавеющей стали и примыкают к 10. сосудов 1q попадает на электрод л ды нижним частям 13 сосудов 1 ° 2 и поднимает их температуру до 300Змеевиковый теплообменник 17 слу- 320 С. При плотности потока падающей жит для передачи тепловой энергии, радиации 630 Вт/м2 и степени концентпоглощенное теплоносителем в камерах рации К = 7 возможно получение тем-

25, воде, содержащейся в аккумуля- пературы, на 300ОС превышающей темпеторе 16 тепла. ратуру окружающей среды.

Насос 18 для прокачки теплоносите- Считая толщину каждого электрода ля обеспечивает его циркуляцию по 2 равной 0,1 см и толщину слоя электконтУру. Для своей работы насос 18 ролита 3 равной 0,1 см, получим, что потребляет часть электрической энер- тепло от электродов 2 за счет теплогии, вырабатываемой генератором. 35 проводности электродов 2 и электроАккумулятор 16 тепла представляет лита 3 равномерно нагревает эти блособой теплоизолированный с внешней ки до температуры 300ОC. Эа счет констороны бак, заполненный водой. В вективного нагрева вблизи электродов нем расположен змеевиковый теплооб- 2 пара йода высокого давления происменник 17. Аккумулятор 16 снабжен 40 ходит его перегрев до 300ОС, С другой подводящим патрубком 26 для >..олодной счороны, поскольку сборник 8 конденводы и отводящим патрубком 27 для по- сата рабочего тела сообщается с подогретой воды, на которых расположе- лостями 5 сосудов 1 с помощью отводяна регулирующая запорная арматура. щего трубопровода 21 конденсата раГенератор имеет выходные клеммы 4 бочего тела, то в полостях 5 сосудов

28 для подключения к нагрузке (потре- 1 давление пара йода будет также бителю) или к аккумуляторной батарее 10 атм. 3а счет конвективного нагредля ее зарядки, после чего эта бата- ва пара йода низкого давления вблизи рея подключается к нагрузке. электродов 2 происходит перегрев раГенератор работает следующим об- бочего тела до 300 С. Таким образом, разом. сосуды 1 имеют температуру 300 >С и

Тепловая энергия сконцентрирован- в их полостях 4 и 5 вблизи электроного солнечного излученич поднимает дов 2 находится перегретый пар йода температуру испарителя 6 от темпера- с давлением Р „; — Р„,д = 1 атм, и туры окружающей среды, при которой Рц,„= Р„ „ = 1Л атм соответственно. йод находится в твердом состоянии 55 Прй темйературе 300 С электролит 3

I о, T.пл. йода 113,6 С) до температуры (йодистый свинец) в твердом состоя(90-200 С, на 10-20 С . превышающей нии обладает проводимостью по ионам гемпературу кипения йода (Т.кип. йо- йода. Она составляет величину Ж = а 183 С), О

=0,1 . Поэтому, вследствие разнос-.

Конструкция испарителя б с четы- 60 ти термодинамических потенциалов

>ехэеркальным концентратором 12 (ТДП) пара йода в полостях 4 и 5, юзволяет, при плотности потока падаю- связанной с разницей давлений, на

<ей радиации равной 630 вт/м и сте- электродах 2 возникает ЭДС, про ени концентрации К = 5 иметь темпе- порциональная разности ТДП реалио

>атуру испарителя 6, на 178 С превы- gg зуемая во внешней электрической

969079 цепи: электроды 2 — полезная нагрузка.

Рабочий процесс токообразования в ячейках состоит из ионизации

:паров йода высокого давления в полос- тях 4 по реакции +2 = 2, íà границе электрод 2 — электролит. 3, перетоке ионов через слой электролита

3 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов

Йода на границе электролит 3 — элек- 10 трод 2 по реакции 21 = Х + 2е -в полостях 5. Так как пар йода по своим свойствам близок к идеальному газу, то ЭДС, возникающая на клеммах 28 каждой ячейки, будет равна 15

И

h G В Туч Рмакс

Z F Z PMgg

2.573.2 3 1

-.н;н.нн.н " где Ь0 — перепад ТДП рабочего тела, дж/моль;

Z — валентность иона, переносчика заряда в системе;

F — число Фарадея, кулон/моль;

R - газовая постоянная, " 25 дж/моль. К;

Рмцке (Рнсо ) ° Рмнн (Риони ) экстремальные давления паров йода, атм.

Величины ЭДС, рассчитанные по этой За формуле, хорошо согласуются с экспериментальными значениями ЭДС известного генератора для тех же температур.

Удельная электрическая мощность

M вырабатываемая ячейками, будет З5 иметь вид

У = (- — - . 1) ° t: й.б 4леи

ZF Ж (0,24-I) Вт/см 40 где I. — плотность тока на электродах ячейки, A/ñì оолект — толщина электролита, см.

Термодинамический цикл генерато- 45 ра представлен на фиг, 3 сплошными . линиями. Процесс токообразования производится в ячейках, нагретых солнечной энергией до максимальной температуры цикла — T, так что расширение паров йода через электродные блоки происходит изотермически (процесс A" -В") с поглощением солнечного тепла 0,„. Пары йода низкого давления охлаждаются у внутренних поверхностей нижних частей 13 (процесс В" -C), а затем конденсируются на этих поверхностях (процесс С - D) при минимальной темпера- туре цикла T„ „л, после чего жидкий йод самотеком, под действием силы тя- 60 жести, поступает в сборник 8 конденсата рабочего тела. Затем жидкий йод насосом 9 сжимается до максимального давления Р„,о (процесс D Е) и подается в нспаритель 6. В нем за счет сол- 65 н н -Тн н

Тмйнке ТМ N Карно Тмакс

573-390

573

Т °

9Ч

На фиг. 4 представлены значения напряжений на клеммах 28 одной из ячеек и ее удельной мощности, рассчитанных по представленным выше формулам, в зависимости от плотности тока на электродах 2. Как видно из графика, при работе ячейки в режиме максимальной удельной мощности, составляющей 15 10 Вт/см, напряжение на клеммах 28 будет равно 0,12 В при плотности тока 0,12 A/см .

Для получения мощности 5 кВт потребуется общая площадь ячеек равная 33,3 м (например, для фотогенератора в этом случае необходима общая площадь панели 70 м ).

При размере каждой из ячеек равной размеру модуля из кремниевых солнечных элементов, например 38х102 см, каждая ячейка будет иметь максимальную мощность 58 2 Вт (у фотогенератора — 33 В). Для получения мощности

s 5 кВт потребуется 86 ячеек (у фотогенератора — 150 модулей). При последовательном соединении всех ячеек напряжение на выходных клеммах 28 .генератора составит величину 10,3 В (у фотогенератора - 16 В при параллельном электрическом соединении всех модулей).

В генераторе используются .дешевые вещества — йод и йодистый свинец, нечной энергии он подогревается (процесс E-F) и испаряется (процесс F-A), ° а затем через подводя ий трубопровод

22 пара высокого давления поступает в полости 4 сосудов 1, где перегревается до максимальной температуры цикла Теч (процесс A A ), и цикл замыкается. Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии.

В генераторе отводимое от рабочего тела тепло процессов В-С и С-D не сбрасывается в окружающую сосуды

1 среду, а передается через нижние теплопроводные части 13 теплоносителю, циркулирующему в камерах 25, который отводит это тепло через теплообменник 17 в водяной аккумулятор

16 тепла. Находящаяся в нем вода аккумулирует зто тепло, ее температура повышается и она используется, например, на бытовые нужд ° В качестве теплоносителя может быть использовано органическое соединение, например глицерин с температурой кипения 262 С, превьяиающей температуру конденсации йода, чтобы теплоноситель не закипал.

Предельная эффективность цикла прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электрическую энергию равна

969079

10 и .относительно недорогие материалы — : пористый никель, нержавеющая сталь.

Это является предпосылкой к снижению удельной стоимости вырабатываемой энергии..

В нем также заложена возможность . создания установки заданной электрической мощности (1-20 кВт) путем подключения к подводящему трубопроводу 22 пара высокого давления и от- водящему трубопроводу 21 конденсата рабочего тела необходимого .количества ячеек, что обусловлено отсутствием у йода в жидкой и паровой фазах электронной проводимости, приво- 15 дящей к короткому замыканию электродов 2 через пар рабочего тела.

Использование солнечной энергии и ее подвод непосредственно к токогенерирующим ячейкам (сосудам 1) позволяет избежать явления тепловой поляризации, что повышает КПД цикла, а тепловой контакт использующего солнечную энергию испарителя 6 со сборником 8 конденсата рабочего тела а счет плавления последнего упрощает ксплуатацию электрохимического генератора, Использование солнечной энергии для работы электрохимического генератора делает его автономным.

969079

g1 LJ)F

Яяе. Ф

ВНИИПИ Заказ 8248/7 Тираж 783 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä,óë,Ïðîåêòíàÿ,4 Р ЩФ Лм/„р