ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ИЗЛУЧАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ВОДЯНОГО ТИПА Российский патент 2008 года по МПК H01M8/04 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к топливному элементу с излучающим устройством водяного типа и, в частности, к топливному элементу с излучающим устройством водяного типа, которое способно нагревать воду, накопленную в водяном баке (или резервуаре для воды), внутри топливного элемента путем сбора (извлечения) тепла, излучаемого из топливного элемента посредством излучающей пластины, и улучшить эффект излучения путем применения излучательной конструкции водяного типа.

2. Уровень техники

В последнее время для генерирования электроэнергии, используемой в домах, на электростанциях используют теплоту сгорания или гидроэнергию. Генерируемую на электростанциях электрическую энергию подают в дома (например, в каждый жилой дом), расположенные в каждом регионе, через линию электропередач, и подаваемую электроэнергию используют для работы телевизоров, холодильников, кондиционеров воздуха и т.п., что обеспечивает удобное проживание.

Однако для получения используемой электроэнергии на электростанциях сжигают нефть или уголь для выработки тепловой энергии, которую затем преобразуют в электрическую энергию, что, соответственно, приводит к значительно более низкой эффективности генерирования электроэнергии по сравнению с энергией использованного топлива. Кроме того, при поставке генерируемой на электростанции электроэнергии через линию электропередач в дома в каждом регионе происходят большие потери энергии, что также снижает эффективность использования электроэнергии в каждом доме по сравнению с расходом энергии топлива. То есть электроэнергию, используемую в каждом доме, получают за счет расхода чрезмерно большого количества энергии топлива. Кроме того, при сжигании большого количества топлива, такого как нефть или уголь, образуются загрязняющие вещества, что вызывает загрязнение окружающей среды.

В связи с этим в последнее время разрабатывают топливные элементы, которые могут обеспечить отличную эффективность использования энергии и позволяют генерировать безвредную для окружающей среды электрическую энергию. Такой топливный элемент относится к устройству для непосредственного преобразования содержащейся в топливе химической энергии в электрическую энергию за счет электрохимической реакции между топливом, постепенно подаваемым извне, и воздухом.

На фиг.1 представлен схематичный вид, изображающий конструкцию известного из уровня техники топливного элемента с излучающим устройством, а на фиг.2 показан вид в перспективе, изображающий конструкцию излучающей пластины по фиг.1.

Как показано на этих чертежах, известный из уровня техники топливный элемент включает в себя узел 10 подачи топлива для подачи определенного количества топлива, реформинг-установку 20 для генерирования водородсодержащего газа, содержащего газообразный водород, и тепла при поступлении топлива из узла 10 подачи топлива, узел 30 батареи для генерирования электричества и тепла согласно электрохимической реакции между генерируемым газообразным водородом из реформинг-установки 20 и кислородом, подаваемым отдельно, силовой преобразователь 40 для преобразования генерируемого узлом 30 батареи электричества в переменный ток (ПерТ) и водяной бак (или резервуар для воды) 50 для обеспечения горячей воды за счет использования теплоты, выделяемой из узла 30 батареи.

Реформинг-установка 20 включает в себя реактор 21 десульфуризации (ДС) для введения топлива, подаваемого из узла 10 подачи топлива, воды и воздуха для удаления тем самым содержащейся в топливе серы, паровой реформер (ПР) 22 для реагирования топлива с паром, высокотемпературный паровой реактор (ВТПР) 23 для реагирования монооксида углерода с паром, низкотемпературный паровой реактор (НТПР) 24 для преобразования монооксида углерода в диоксид углерода, реактор 25 частичного окисления (РЧО) для преобразования неокисленного монооксида углерода в диоксид углерода, реакционную печь 26 для генерирования водорода из топлива с помощью реформинг-процесса и процесса очистки водорода и горелку 27 для обеспечения тепла, требуемого для реакционной печи 26, путем контактного соединения с реакционной печью 26.

Узел 30 батареи реализован путем укладывания в стопку множества единичных топливных элементов и включает в себя анод 31, пленку 32 электролита и катод 33.

Силовой преобразователь 40 относится к устройству для преобразования постоянного тока (ПосТ), генерируемого узлом 30 батареи, в переменный ток (ПерТ), который может быть использован в домах. Силовой преобразователь 40 содержит внутри себя множество устройств (не показаны) для работы в качестве преобразователя 41 и инвертора 42. Каждое устройство соединено с излучающей пластиной для того, чтобы излучать выделяемое из них тепло в окружающую среду.

На верхней торцевой поверхности излучающей пластины 43 расположено множество излучающих ребер 43a, имеющих определенную длину вверх вдоль направления толщины излучающей пластины 43, для осуществления таким образом быстрого излучения излучающей пластиной 43 за счет увеличения площади контакта между излучающей пластиной 43 и воздухом. С одной стороны излучающей пластины 43 установлен рассеивающий вентилятор 44 для охлаждения таким образом излучающей пластины 43.

Соединительная линия 60, по которой вода протекает в водяной бак 50 и вытекает из него, соединяет нижнюю концевую часть узла 30 батареи и нижнюю концевую часть водяного бака 50, обеспечивая таким образом возможность нагрева воды, содержащейся в водяном баке 50, за счет использования тепла, выделяемого из узла 30 батареи. В результате подключения соединительной линии 60 к нижней концевой части водяного бака 50 относительно холодная вода собирается на нижней стороне водяного бака 50, а относительно горячая вода собирается на верхней его стороне в соответствии с конвекцией воды, тем самым уменьшая время, требуемое для нагрева воды.

Однако, в случае этого известного из уровня техники топливного элемента теплота, выделяемая из силового преобразователя 40, рассеивается от него вовне за счет использования излучающих ребер 43a и рассеивающего вентилятора 44 излучающей пластины 43. При этом способ воздушного охлаждения, используемый в излучающей пластине 43, не обеспечивает эффекта быстрого охлаждения. Кроме того, теплоту, выделяемую из силового преобразователя 40, не собирают, а рассеивают в окружающую среду, что приводит в результате к неэффективному использованию энергии.

Сущность изобретения

Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в создании топливного элемента с излучающим устройством водяного типа, которое способно нагревать воду, накопленную в водяном баке (или резервуаре для воды), внутри топливного элемента путем сбора (извлечения) тепла, излучаемого из топливного элемента посредством излучающей пластины, и улучшить эффект излучения благодаря применению излучательной конструкции водяного типа.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с назначением настоящего изобретения в том виде, как оно воплощено и в широком смысле описано здесь, предложен топливный элемент с излучающим устройством водяного типа, содержащий узел подачи топлива для подачи топлива с определенной скоростью, реформинг-установку для генерирования водородсодержащего газа, содержащего газообразный водород, при поступлении топлива из узла подачи топлива, узел батареи для генерирования электричества и тепла согласно электрохимической реакции между генерируемым водородсодержащим газом из реформинг-установки и кислородом, подаваемым отдельно, водяной бак, соединенный с одной стороной узла батареи для нагрева содержащейся в нем воды за счет использования тепла, выделяемого из узла батареи, силовой преобразователь, соединенный с одной стороной узла батареи для преобразования генерируемого узлом батареи электричества в переменный ток и имеющий множество излучающих пластин, и узел принудительного излучения, предназначенный для принудительного охлаждения излучающих пластин и для нагрева воды, содержащейся в водяном баке.

Указанные выше и другие цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания настоящего изобретения при его изучении совместно с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания изобретения и включены в настоящее описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты воплощения изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.

На этих чертежах:

фиг.1 представляет собой схематичный вид, изображающий конструкцию известного из уровня техники топливного элемента с излучающим устройством;

фиг.2 представляет собой вид в перспективе, изображающий конструкцию излучающей пластины по фиг.1;

фиг.3 представляет собой схематичный вид, изображающий конструкцию топливного элемента с излучающим устройством в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения; и

фиг.4 представляет собой вид в перспективе, изображающий излучающую пластину по фиг.3.

Подробное описание изобретения

Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Настоящее изобретение предлагает топливный элемент с излучающим устройством водяного типа, содержащий узел подачи топлива для подачи топлива с определенной скоростью, реформинг-установку для генерирования водородсодержащего газа, содержащего газообразный водород, при поступлении топлива из узла подачи топлива, узел батареи для генерирования электричества и тепла согласно электрохимической реакции между генерируемым водородсодержащим газом из реформинг-установки и кислородом, подаваемым отдельно, водяной бак, соединенный с одной стороной узла батареи для нагрева содержащейся в нем воды за счет использования тепла, выделяемого из узла батареи, силовой преобразователь, соединенный с одной стороной узла батареи для преобразования генерируемого узлом батареи электричества в переменный ток и имеющий множество излучающих пластин, и узел принудительного излучения для принудительного охлаждения излучающих пластин и для нагрева воды, содержащейся в водяном баке.

Далее настоящее изобретение будет пояснено подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.3 представлен схематичный вид, изображающий конструкцию топливного элемента с излучающим устройством в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения, а на фиг.4 показан вид в перспективе, изображающий излучающую пластину по фиг.3.

Как показано на этих чертежах, топливный элемент с излучающим устройством водяного типа в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения включает в себя узел 100 подачи топлива для подачи с определенной скоростью топлива, реформинг-установку 200 для генерирования водородсодержащего газа, содержащего газообразный водород, при поступлении топлива из узла 100 подачи топлива, узел 300 батареи для генерирования электричества и тепла согласно электрохимической реакции между генерируемым водородсодержащим газом из реформинг-установки 200 и кислородом, подаваемым отдельно, водяной бак 500, соединенный с одной стороной узла 300 батареи для нагрева содержащейся в нем воды за счет использования тепла, выделяемого из узла 300 батареи, силовой преобразователь 400, соединенный с одной стороной узла 300 батареи для преобразования генерируемого узлом 300 батареи электричества в переменный ток и имеющий множество излучающих пластин 430, и узел принудительного излучения для принудительного охлаждения излучающих пластин 430 и для нагрева воды, содержащейся в водяном баке 500.

Реформинг-установка 200 включает в себя реактор 210 десульфуризации (ДС) для введения топлива, подаваемого из узла 100 подачи топлива, воды и воздуха для того, чтобы таким образом удалить содержащуюся в топливе серу, паровой реформер (ПР) 220 для реагирования топлива с паром, высокотемпературный паровой реактор (ВТПР) 230 для реагирования монооксида углерода с паром, низкотемпературный паровой реактор (НТПР) 240 для преобразования монооксида углерода в диоксид углерода, реактор 250 частичного окисления (РЧО) для преобразования неокисленного монооксида углерода в диоксид углерода, реакционную печь 260 для генерирования водорода из топлива с помощью реформинг-процесса и процесса очистки водорода и горелку 270 для обеспечения тепла, требуемого для реакционной печи 260, путем контактного соединения с реакционной печью 260.

Узел 300 батареи реализован путем укладки в стопку множества единичных топливных элементов и включает в себя анод 310, пленку 320 электролита и катод 330.

Силовой преобразователь 400 относится к устройству преобразования постоянного тока (ПосТ), генерируемого узлом 300 батареи, в переменный ток (ПерТ), который может быть использован в домах. Силовой преобразователь 400 содержит внутри себя множество устройств (не показаны) для работы в качестве преобразователя 410 и инвертора 420. Каждое устройство соединено с излучающей пластиной 430 с тем, чтобы излучать выделяемое из них тепло в окружающую среду.

На верхней торцевой поверхности излучающей пластины 430 расположено множество излучающих ребер 431, имеющих определенную длину вверх вдоль направления толщины излучающей пластины 430, для осуществления таким образом быстрого излучения излучающей пластиной 430 за счет увеличения площади контакта между излучающей пластиной 430 и воздухом. Сквозь одну сторону излучающей пластины 430 сформировано множество установочных отверстий 432 для соединения таким образом с отводящей трубой 700, которая будет описана ниже, путем вставки.

На нижней концевой части узла 300 батареи и нижней концевой части водяного бака 500 установлена соединительная линия 600, по которой вода протекает в водяной бак 500 и вытекает из него, для обеспечения таким образом возможности нагрева воды, содержащейся в водяном баке 500, за счет использования тепла, выделяемого из узла 300 батареи. В результате подсоединения соединительной линия 600 к нижней концевой части водяного бака 500 относительно холодная вода собирается на нижней стороне водяного бака 500, а относительно горячая вода собирается на верхней его стороне в соответствии с конвекцией воды, тем самым уменьшая время, затрачиваемое на нагрев воды.

Узел принудительного излучения относится к отводящей трубе 700, которая отходит от соединительной линии 600, соединяющей узел 300 батареи с водяным баком 500, и затем сливается (объединяется) с этой соединительной линией 600, проходя через излучающие пластины 430 для того, чтобы вступить в контакт с этими излучающими пластинами 430. Отводящая труба 700 вставлена в установочные отверстия 432 излучающих пластин 430 для обеспечения контакта с излучающими пластинами 430 и затем соединена с одной стороной соединительной линии 600 для обеспечения возможности протекания по ней воды, находящейся внутри водяного бака. Кроме того, узел принудительного излучения может проходить через излучающие пластины 430 по зигзагообразной форме.

В топливном элементе, имеющем узел принудительного излучения в соответствии с данным вариантом воплощения настоящего изобретения и характеризующемся такой конструкцией, когда узел 100 подачи топлива подает в реформинг-установку 200 воду и топливо (например, метанол, сжиженный природный газ (СПГ), бензин или тому подобное), в этой реформинг-установке 200 совместно проводятся реформинг паром и частичное окисление, тем самым генерируя водородсодержащий газ, который содержит газообразный водород, тепло реакции и воду.

В узле 300 батареи при поступлении в него водородсодержащего газа газообразный водород_{H2 подают на сторону анода 310 для обеспечения протекания электрохимической реакции окисления. Затем газообразный водородH2 ионизируется на ион водорода H⁺ и электрон e^-, таким образом окисляясь. Ионизированный ион водорода H⁺ движется к катоду 330 через пленку 320 электролита, и электрон e^- движется к аноду 310 через пленку 320 электролита, тем самым генерируя электричество, тепло и воду. Электричество, генерируемое в узле 300 батареи, преобразуют в переменный ток (ПерТ) в силовом преобразователе 400 для приведения таким образом в действие электрических приборов.}

Вода, содержащаяся в водяном баке 500, поступает в узел 300 батареи через соединительную линию 600, проложенную между узлом 300 батареи и водяным баком 500, нагреваясь под действием тепла, выделяемого узлом 300 батареи. Нагретая вода выходит из узла 300 батареи. Выходящая вода вступает в контакт с излучающими пластинами 430, проходя через отводящую трубу 700, и поэтому она нагревается до более высокой температуры, а после этого протекает в водяной бак 500. Такие процессы выполняются неоднократно с тем, чтобы обеспечить возможность более быстрого нагрева воды, содержащейся в водяном баке. Кроме того, излучающие пластины 430 могут быть охлаждены более быстро без использования отдельного рассеивающего вентилятора по сравнению со способом воздушного охлаждения, используемым в известном из уровня техники топливном элементе.

Поскольку настоящее изобретение может быть воплощено в нескольких формах без отступления от его сущности или существенных признаков, следует также понимать, что описанные выше варианты воплощения изобретения не ограничиваются любыми из подробностей приведенного выше описания, если только не указано иное, и их следует рассматривать в широком смысле в пределах сущности и объема изобретения, которые определены в приложенной формуле изобретения, и поэтому все изменения и модификации, которые попадают в пределы и границы формулы изобретения, или эквиваленты этих пределов и границ, считаются охваченными приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к топливному элементу с излучающим устройством водяного типа. Топливный элемент с излучающим устройством водяного типа, которое способно нагревать воду, накопленную в водяном баке (или резервуаре для воды), внутри топливного элемента путем сбора (извлечения) тепла, излучаемого из топливного элемента посредством излучающей пластины. Техническим результатом является улучшение эффекта излучения благодаря применению излучательной конструкции водяного типа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Топливный элемент с излучающим устройством водяного типа, содержащий:

узел подачи топлива для подачи топлива с определенной скоростью;

реформинг-установку для генерирования водородсодержащего газа, содержащего газообразный водород, при поступлении топлива из узла подачи топлива;

узел батареи для генерирования электричества и тепла согласно электрохимической реакции между генерируемым водородсодержащим газом из реформинг-установки и кислородом, подаваемым отдельно;

водяной бак, соединенный с одной стороной узла батареи для нагрева содержащейся в нем воды за счет использования тепла, выделяемого из узла батареи;

силовой преобразователь, соединенный с одной стороной узла батареи для преобразования генерируемого узлом батареи электричества в переменный ток и имеющий множество излучающих пластин; и узел принудительного излучения для принудительного охлаждения излучающих пластин и для нагрева воды, содержащейся в водяном баке, причем узел принудительного излучения относится к отводящей трубе, которая отходит от соединительной линии для соединения узла батареи с водяным баком и затем сливается с этой соединительной линией, проходя через излучающие пластины для того, чтобы вступить в контакт с излучающей пластиной.

узел подачи топлива для подачи топлива с определенной скоростью;

реформинг-установку для генерирования водородсодержащего газа, содержащего газообразный водород, при поступлении топлива из узла подачи топлива;

узел батареи для генерирования электричества и тепла согласно электрохимической реакции между генерируемым водородсодержащим газом из реформинг-установки и кислородом, подаваемым отдельно;

водяной бак, соединенный с одной стороной узла батареи;

силовой преобразователь, соединенный с одной стороной узла батареи для преобразования генерируемого узлом батареи электричества в переменный ток и имеющий множество излучающих пластин; и

отводящую трубу, отходящую от соединительной линии для соединения узла батареи с водяным баком и затем сливающуюся с этой соединительной линией, проходя через излучающие пластины по зигзагообразной форме.