СИСТЕМА ЭНЕРГОПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01M16/00 

Изобретение относится к источникам постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, работающим на водороде и кислороде со щелочным или кислым электролитами.

Известна система энергопитания постоянного тока [1] состоящая из конструктивно совмещенных топливных элементов, размещенных в корпусе и объединенных между собой общими водородными и кислородными полостями, причем топливные элементы подключены к потребителю электроэнергии постоянного тока.

Недостатком аналога является невозможность аккумулирования электроэнергии, тоесть система электропитания не может работать как потребитель электроэнергии.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство [2] состоящее из электролизных ячеек и топливных элементов, размещенных в едином корпусе и соединенных друг с другом общими водородными и кислородными каналами.

Это устройство отличается от аналога тем, что оно обеспечивает аккумулирование энергии постоянного тока.

Недостатком прототипа является то, что не обеспечивается бесперебойное питание нагрузки, тоесть устройство, изложенное в прототипе, то заряжается, то разряжается и не может одновременно и заряжаться и разряжаться. Именно таким способом можно обеспечить абсолютную гальваническую развязку от первичного источника питания.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание такой системы электропитания, при которой обеспечивается абсолютная гальваническая развязка от первичного источника тока потребителей электроэнергии (особенно сложнейших радиотехнических устройств, блоков автоматики, специальных систем программирования и т. д.).

Техническим результатом решения задачи явилось создание такой системы энергопитания постоянного тока, которая обеспечивает абсолютную гальваническую развязку потребителей от самых неожиданных и не предвиденных пульсаций напряжений, непредсказуемых обоев, включая внезапные отключения электрической энергии на довольно длительное время.

Для этого систему энергопитания постоянного тока, содержащую электролизные ячейки и топливные элементы, соединенные друг с другом общими водородными и кислородными каналами, при этом электроды электролизных ячеек подключены к источнику постоянного тока, а электроды топливных элементов к потребителю энергии постоянного тока, снабжают регулятором постоянного напряжения, датчиком давления с аналоговым и релейным выходами, вентилятором и коммутационными элементами в цепях включения вентилятора, а также нагревателем, охладителем воды, регуляторами давления и баллонами, подсоединенными к полостям водородных и кислородных каналов, при этом регулятор постоянного напряжения включен между источником постоянного тока и электродами электролизных ячейку, датчик давления смонтирован в полости водородного или кислородного каналов, его аналоговый выход подключен к сигнальному входу регулятора постоянного напряжения, а релейный к управляющим входам коммутационных элементов, вентилятор установлен на водородном канале, образуя замкнутый контур циркуляции, на котором последовательно соединены между собой нагреватель, охладитель и накопитель воды.

В предлагаемой системе положительный эффект достигается тем, что первичная и вторичная цепи предлагаемой системы энергопитания постоянного тока совершенно разобщены. Первичная цепь питает электролизные ячейки, разлагая воду на кислород и водород, а вторичная цепь получает электроэнергию от топливных элементов, потребляющих эти газы. Это позволяет аккумулировать избыток электроэнергии. При этом происходит увеличение давления в газовых полостях до определенного максимально заданного значения, после чего в случае, если отключена нагрузка, система отключается от первичной сети и начинает работать как первичный источник электроэнергии. При снижении давления система будет работать как обычный трансформатор, стабилизируя напряжение постоянного тока.

Устройство поясняется чертежом.

Система энергопитания постоянного тока состоит из корпуса 1, в котором размещены электролизные ячейки 2 и топливные элементы 3. Каждая электролизная ячейка 2 состоит из анода 4, катода 5 и капиллярной мембраны 6, заправляемой щелочью с концентрацией 20.45% помещенных в секции, содержащие две изолированные полости, одна из которых 7 контактирует с анодом, а другая 8 с катодом. Каждый топливный элемент 3 также состоит из анода 9, катода 10 и капиллярной мембраны 11, помещенных в секции, содержащие две изолированных полости, одна из которых 12 контактирует с анодом, а другая 13 с катодом. Анодные полости 7 и 12 объединены в кислородный канал 14, а катодные полости 8 и 13 в водородные каналы 15, 16. Водородные каналы 15 и 16 образуют замкнутый контур, в который включен вентилятор 17. В водородном канале 16 вмонтирован датчик давления 18, например, сильфонного типа с аналоговым и релейным выходами. Первый подключен к сигнальному входу регулятора постоянного напряжения 19, а второй управляет коммутационными элементами 20, включающими вентилятор 17. В водородном контуре последовательно установлены нагреватель 21, охладитель 22, накопитель 23, состоящий из матриц, заполненных раствором КОН. К водородному контуру подсоединен регулятор давления 24 с баллонами 25, а к кислородным каналам подсоединены регулятор давления 26 и баллон 27.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения от источника питания U_вх через регулятор постоянного напряжения 19 на электроды 4 и 5, вода щелочного раствора, заполняющего капиллярную мембрану 6 электролизных ячеек 2, начинает разлагаться на водород, который поступает в водородные полости 8, 13 каналов 15, 16 и кислород, который поступает в кислородные полости 7, 12 и канал 14, в результате чего повышается давление, воспринимаемое датчиком давления 18. Аналоговый сигнал с датчика 18 поступает на сигнальный вход регулятора постоянного напряжения 19 и через него управляет величиной постоянного напряжения, поступающего на электроды 4, 5 электролизных ячеек 2. При достижении заданного давления включается вентилятор 17 и подключается электрическая нагрузка. Включение вентилятора и нагрузки производится с помощью коммутационных элементов 20. При подключении электрической нагрузки в топливном элементе 3 происходит процесс регенерации кислорода и водорода в воду, которая поглощается щелочным электролитом, заполняющим капиллярную мембрану 11, и на электродах топливного элемента появляется постоянная ЭДС. Давление в газовых каналах начинает падать и от датчика давления 18 поступает сигнал на регулятор напряжения 19, соответственно, изменяющий величину напряжения, поступающего на электролизные ячейки.

Аккумулирование электроэнергии в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом.

При снижении потребляемой мощности избыток газов, выделяемых на электролизных ячейках, проходя через регуляторы давления 24 и 26, поступает в баллоны 25 (водород) и 27 (кислород). При этом при необходимости включается нагреватель 21, что позволяет во-первых, увеличить давление газов за счет повышения температуры, а во-вторых, сделать пароводородную смесь более сухой, что предотвращает затопление топливных элементов. В связи с тем, что вода в электролизных ячейках разлагается на кислород и водород, концентрации раствора КОН в матрицах электролизных ячеек повышается. Это приводит к нарушению равновесия давления паров воды в матрицах электролизных ячеек и матрицах накопителя воды 23. Поэтому пароводородная смесь на вход в накопитель воды поступает более осушенной и, протекая сквозь матрицы накопителя воды, заполненных щелочью, насыщается парами воды. Увлажненная пароводородная смесь, выходящая из накопителя, поступает в электролизные ячейки. Таким образом, осуществляется перенос воды при работе устройства в случае снижения потребляемой мощности.

В случае резкого увеличения потребляемой мощности по сравнению с мощностью первичного источника водород из баллонов 25, а кислород из баллонов 27 поступают к топливным элементам. Топливные элементы при этом вырабатывают избыток влаги, который уносится вентилятором 17 к накопителю воды 23. В следствие того что вода, образующаяся в процессе электрохимической реакции, приводит к снижению концентрации КОН в матрицах топливных элементов, нарушается равновесие между давлением паров воды над раствором КОН в матрицах топливных элементов и накопителя воды. Пароводородная смесь, насыщенная парами воды, поступает на вход накопителя воды, где отдает часть воды в матрицы, и осушенная поступает в топливные элементы. Таким образом, происходит перенос воды из батареи топливных элементов в накопитель воды, в результате чего концентрация КОН как в накопителе воды, так и в электролизных ячейках и в топливных элементах устанавливается одинаковой. Для интенсификации процесса поглощения воды включают охладитель 22.

Предлагаемое устройство позволяет иметь достаточно широкий диапазон аккумулирования энергии при стабилизации выходного напряжения.

Отмеченные достоинства предлагают высокую помехозащищенность выходного напряжения, возможность широкого использования устройства для питания приборов измерительной и вычислительной техники, автономных бортовых систем и др. Следует отметить простоту и надежность элементной базы, на которой строится предлагаемое устройство.

Использование: системы энергопитания постоянного тока, обеспечивающие абсолютное исключение любых пульсаций напряжения, непредвиденных сбоев, случайных и значительных колебаний напряжения питания (включая внезапные отключения энергии). Сущность изобретения: система энергопитания постоянного тока содержит электролизные ячейки и топливные элементы, соединенные друг с другом общими водородными и кислородными каналами, при этом электроды электролизных ячеек подключены к источнику постоянного тока, а электроды топливных элементов - к потребителю энергии постоянного тока, и она снабжена регулятором постоянного напряжения, датчиком давления с аналоговым и релейным выходами, вентилятором и коммутационными элементами в цепях включения вентилятора, нагревателем, охладителем и накопителем воды, а также регуляторами давления и баллонами, подсоединенными к полостям водородных и кислородных каналов, при этом регулятор постоянного напряжения включен между источником постоянного тока и электродами электролизных ячеек, датчик давления смонтирован в полости водородного или кислородного каналов, его аналоговый выход подключен к сигнальному входу регулятора постоянного напряжения, а релейный - к управляющим входам коммутационных элементов, вентилятор установлен на водородном канале, образуя замкнутый контур циркуляции, на котором последовательно соединены между собой нагреватель, охладитель и накопитель воды. 1 ил.

Система энергопитания постоянного тока, содержащая электролизные ячейки и топливные элементы, соединенные друг с другом общими водородными и кислородными каналами, при этом электроды электролизных ячеек подключены к источнику постоянного тока, а электроды топливных элементов к потребителю энергии постоянного тока, отличающаяся тем, что она снабжена регулятором постоянного напряжения, датчиком давления с аналоговым и релейным выходами, вентилятором и коммутационными элементами в цепях включения вентилятора, нагревателем, охладителем и накопителем воды, а также регуляторами давления и баллонами, подсоединенными к полостям водородных и кислородных каналов, при этом регулятор постоянного напряжения включен между источником постоянного тока и электродами электролизных ячеек, датчик давления смонтирован в полости водородного или кислородного канала, его аналоговый выход подключен к сигнальному входу регулятора постоянного напряжения, а релейный к управляющим входам коммутационных элементов, вентилятор установлен на водородном канале, образуя замкнутый контур циркуляции, на котором последовательно соединены между собой нагреватель, охладитель и накопитель воды.