СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01M14/00 

Изобретение относится к области источников питания постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, использующих преобразование химической энергии в электрическую то-есть в аккумуляторах, в батареях топливных элементов, работающих на водороде и кислороде со щелочным или кислым электролитами.

Известен способ интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую путем увеличения рабочей температуры процесса [1]. Этот способ заключается в том, что увеличивают температуру реакции соединения водорода с кислородом, за счет чего растет скорость реакции и при этом увеличивается интенсификация электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую. Известно и устройство, реализующее этот способ устройство [2], включающее элементы подогрева топлива перед подачей его в батарею топливных элементов.

Недостатком названных способа и устройства его реализующего, является малая эффективность процесса, так как повышение температуры возможно лишь до определенных пределов. Это связано с тем, что в качестве электролита используют водные растворы (в основном щелочи), которые не допускают нагревания свыше 100^oC, малый ресурс, связанный с применением повышенных температур, и в связи этим же сложность в управлении.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую путем воздействия на параметры тока, протекающего через электроды [3] . Этот способ заключается в уменьшении силы тока. Именно за счет малого тока достигается равномерное распределение скорости процесса по глубине электрода, а как известно из работы [1], поляризация на электродах зависит от неравномерного распределения тока. При больших величинах тока значительно увеличивается неравномерность распределения тока по площади электрода и следовательно увеличивается поляризация и потери при преобразовании химической энергии в электрическую.

Известно устройство, реализующее этот способ [4]. Устройство содержит батарею топливных элементов с регулятором напряжения, которая соединена с параллельно соединенными между собой накопителем электроэнергии и нагрузкой.

В таком устройстве можно снизить поляризацию на электродах, а следовательно и потери при преобразовании химической энергии в электрическую путем изменения величины силы тока, протекающего через электроды, но при этом снижается выходная мощность с топливных элементов, это является недостатком способа и устройства взятых за прототип.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание более эффективного способа интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую, при которых мощность топливных элементов не снижается, а находится на том уровне, на котором она необходима потребителю, при этом процесс идет с более высоким КПД.

Техническим результатом решения поставленной задачи является создание такого способа интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую и одновременно создания устройства его реализующего, которые позволяют вести процесс преобразования энергии с высокой интенсификацией, при этом параметры процесса, а, например, температура процесса, находится в пределах, безопасных для работы элементов, мощность, снимается с топливных элементов увеличивается, а КПД процесса возрастает.

Сущность изобретения выражается совокупностью признаков, достаточных для достижения технического результата.

Способ интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую путем воздействия на параметры тока, протекающего через электроды, отличающийся тем, что периодически меняют направление тока, протекающего через электроды, при соотношении длительности прямого и обратного импульсов (10-60):1 и соответствующих прямому и обратному импульсам напряжений на электродах 1: (1,4-1,6).

Устройство интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую, содержащее батарею топливных элементов с регулятором напряжения, которая соединена с параллельно соединенными между собой накопителем электроэнергии и нагрузкой, отличающееся тем, что в него введены модульный регулируемый преобразователь, переключатель контактов с двумя контакторами, первый из контакторов нормально разомкнут, а второй - нормально замкнут и реле времени, при этом вход модульного регулируемого преобразователя соединен с выходом батареи топливных элементов, выход модульного регулируемого преобразователя соединен с параллельно соединенными между собой накопителем энергии и нагрузкой, реле времени соединено со входом переключателя контактов, причем нормально замкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и с контактами накопителя энергии, а нормально замкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и со входом модульного регулируемого преобразователя, выход регулятора напряжения соединен со вторым входом переключателя контактов.

В предлагаемом способе положительный эффект, заключающийся в создании более эффективного способа интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую, обусловлен тем, что при подаче импульса обратного тока длительностью 1 - 2 мин происходит деполяризация электрохимических ячеек, появляется равномерность распределения тока и, связанное с этим, более равномерное распределение температуры. Подача импульса обратного тока повторялась через 10-60 мин работы топливных элементов на нагрузку, при этом напряжение на электродах обратного тока было выше напряжения прямого тока в 1,4 - 1,6 раза, что и обеспечивало эффект деполяризации при соотношении длительности прямого и обратного импульсов (10-60): 1. Это соотношение зависит от материала электродов, конструкции электродов (площади, толщины, состава, структуры поверхностного слоя, технологии изготовления и т.д.), расстояния между электродами.

Экспериментально было выявлено, что при соотношении длительности прямого и обратного импульсов менее 10, то есть при больших временах подачи обратного импульса, эффективность процесса балы из-за этого низкой, так как это связано с большими перерывами в работе (период прямого импульса) и, как следствие, мощность, подаваемая в нагрузку не увеличивалась. При соотношении длительности прямого и обратного импульсов выше 60 то есть при малых временах обратного импульса эффективность процесса была низкой так как это связано с тем, что деполяризация электрохимических ячеек проходила не полностью, что проявлялось в падении напряжения на электродах при подаче прямого импульса и, как следствие, мощность снимается с топливных элементов, падала, и КПД процесса соответственно уменьшался.

Согласно термодинамике электрохимических систем [2, 3] ЭДС с учетом теплового эквивалента электрохимической энергии и числа Фарадея (при P=const, T=const) равно:
или
где E_э ^o = 1,23 B;
Q_т - тепловой эффект реакции,
n - число моль-эквивалентов на 1 моль превращенного вещества,
F - число Фарадея, равное примерно 96 500 Кл/моль-экв.

E_т - ЭДС электрохимического элемента,
T - рабочая температуре в K.

Второй член правой части равен теплоте, поглощаемой (выделяемой) при работе электрохимических элементов. Поэтому для того, чтобы процесс деполяризации прошел более эффективно необходимо, чтобы напряжение обратного импульса было больше, чем E_т.

Экспериментально было выявлено, что при работе источников питания постоянного тока в диапазоне температур, находящихся в пределах, безопасных для работы элементов, напряжение обратного импульса должно быть выше прямого в 1,4 - 1,6 раза.

Способ может быть реализован практически на всех химических источниках тока, например, при эксплуатации различного вида аккумуляторов и электрохимических генераторов (ЭХГ), как при малых мощностях, например, в электромобилях так и не больших стационарных энергоустановках.

Способ реализуется в следующей последовательности действий:
- включение и начало работы прямого импульса (работа на нагрузку электрохимических элементов) на период 10-60 мин.;
- подача напряжения (большего в 1,4-1,6, чем в прямом импульсе) на электрохимические элементы на период 1 - 2 мин (до повышения напряжения на элементах в 1,4 - 1,6 раз);
- включение и начало работы прямого импульса (работа на нагрузку электрохимических элементов) на период 10 - 60 мин. и так далее;
Предлагаемый способ может быть осуществлен в устройстве, принципиальная схема которого изображена на чертеже.

Устройство состоит из батареи топливных элементов (1), модульного регулируемого преобразователя, который постоянное напряжение на входе преобразует в повышенное напряжение на выходе, (2), накопителя электроэнергии (3), регулятора напряжения (4), переключателя контактов (5) с контактором (6), в исходном состоянии разомкнутого и контактором (7) в исходном состоянии замкнутого, нагрузки (8), и реле времени (9). При этом вход модульного регулируемого преобразователя соединен с выходом батареи топливных элементов, выход модульного регулируемого преобразователя соединен с параллельно соединенными между собой накопителем энергии и нагрузкой, реле времени соединен со входом переключателя контактов, причем нормально разомкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и с контактами накопителя энергии, а нормально замкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и со входом модульного регулируемого преобразователя, выход регулятора напряжения соединен со вторым входом переключателя контактов.

Устройство работает следующим образом.

Ток с батареи топливных элементов (1), поступает на модульный регулируемый преобразователь преобразователя, который постоянное напряжение на входе преобразует в повышенное напряжение на выходе, (2), схема, устройство и работа которого широко известны, и изложена в работе [5], который питает как накопитель энергии основанный на конденсаторных батареях и который так же хорошо известен из работы [6] так и нагрузку (8). Через определенное время, например, 30 мин. срабатывает реле времени (9), по сигналу которого переключатель (5), который также известен и изложен в работе [7], замыкает контактор (6) и размыкает контактор (7). В результате этого ток повышенного напряжения поступает как в нагрузку, так и на клеммы ТЭ, заряжая их до напряжения .

Как только напряжение на регуляторе напряжения (4) повысится до уровня, превышающего E_т с него поступает сигнал на переключатель (5), который также известен и изложен в [4], размыкает контактор (6) и замыкает контактор (7). В результате этого устройство приходит в исходное состояние.

Работа в указанном режиме позволяет значительно повысить КПД (при работе с напряжением на топливном элемента U=(1,3 - 1,2)В, КПД увеличится в ≈ 1,5 раза). Причем, и это тоже очень важно, значительно упрощается сброс тепла, что приводит к упрощению конструкции и к снижению массы и размеров системы питания постоянным током.

Информация, принятая во внимание:
1. Н.В.Коровин. Электрохимические генераторы. M.: Энергия, 1974, с. 26.

2. Н.В.Коровин. Электрохимическая энергетика. M.: Энергоатомиздат, 1991, с. 125 рис. 2.24.

3. Н.В.Коровин. Электрохимические генераторы. M.: Энергия, 1974, с. 125.

4. Н.В.Коровин. Электрохимические генераторы. M.: Энергия, 1974, с. 112, рис. 19.

5. Б. А. Поляков. Конденсаторные установки для повышения мощности, М., 1950.

6. Высокочастотные транзисторные преобразователи. M.: Радио и связь, 1988, с. 246.

7. Коммутационные устройства радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1985.

Изобретение относится к области источников питания постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, использующих преобразование химической энергии в электрическую. Техническим результатом изобретения является создание более эффективного способа интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую и устройства для его реализации. Согласно изобретению в процессе работы источника тока периодически меняют направление тока, протекающего через электроды, при соотношении длительности прямого и обратного импульсов (10-60):1 и соответствующих прямому и обратному импульсам напряжений на электродах 1:( 1,4-1,6). Это реализовано в устройстве, содержащем батарею топливных элементов с регулятором напряжения, которая соединена с параллельно соединенными между собой накопителем электроэнергии и нагрузкой, модульный регулируемый преобразователь, переключатель контактов с двумя контакторами, первый из контакторов нормально разомкнут, а второй - нормально замкнут и реле времени, при этом вход модульного преобразователя соединен с выходом батареи топливных элементов, выход модульного преобразователя соединен с параллельно соединенными между собой накопителем энергии и нагрузкой, реле времени соединено со входом переключателя контактов, причем нормально разомкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и с контактами накопителя энергии, а нормально замкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и со входом модульного преобразователя, выход регулятора напряжения соединен со вторым входом переключателя контактов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую путем воздействия на параметры тока, протекающего через электроды, отличающийся тем, что периодически меняют направление тока, протекающего через электроды, при соотношении длительности прямого и обратного импульсов (10 - 60) : 1 и соответствующем прямому и обратному импульсам напряжений на электродах 1 : (1,4 - 1,6). 2. Устройство интенсификации электрохимических процессов при преобразовании химической энергии в электрическую, реализующее способ по п.1, содержащее батарею топливных элементов с регулятором напряжения, которая соединена с параллельно соединенными между собой накопителем электроэнергии и нагрузкой, отличающееся тем, что в него введены модульный регулируемый преобразователь, переключатель контактов с двумя контакторами, первый из контакторов нормально разомкнут, а второй - нормально замкнут, реле времени, при этом вход модульного регулируемого преобразователя соединен с выходом батареи топливных элементов, выход модульного регулируемого преобразователя соединен с параллельно соединенными между собой накопителем энергии и нагрузкой, реле времени соединено со входом переключателя контактов, причем нормально разомкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и с контактами накопителя энергии, а нормально замкнутый контактор соединен с выходом батареи топливных элементов и со входом модульного регулируемого преобразователя, выход регулятора напряжения соединен со вторым входом переключателя контактов.