ЭНЕРГОБЛОК С БЕЗОПАСНЫМ И НАДЕЖНЫМ УСТРОЙСТВОМ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2022 года по МПК H01M8/06 C25B1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к энергии, а более конкретно – к источнику питания, способному обеспечивать снабжение электроэнергией удаленных объектов. В частности, настоящее изобретение относится к энергоблоку, который обеспечивает безопасное и надежное хранение водорода, используемого для выработки электричества.

Уровень техники

Получение электричества из водорода известно. В известных областях применения в качестве источника получения водорода из воды используется электролизер. Как известно из уровня техники, водород и кислород получают в результате электролиза воды. Реакция электролиза воды начинается после подачи достаточного количества энергии для разрушения у воды связей между кислородом и водородом.

Как известно из уровня техники, электролиз включает в себя электрохимический процесс, приводящий к разложению электролита. Во время электролиза электролит разлагается, например, при подаче постоянного внешнего напряжения на два электрода, например, анод и катод, соприкасающиеся с электролитом. Напряжение равно или превышает пороговое значение, что, в зависимости от конкретного электролита, заставляет электролит разлагаться, а связи между водородом и водой разрушаться. Минимальное напряжение, необходимое для разложения электролита, называется «напряжением разложения». Воду можно также электролизовать при помощи других процессов, таких как, например, процесс фотосинтеза.

Кроме этого, как известно из уровня техники, отдельные электролизеры с протонообменными мембранами (ПОМ) позволяют получать водород и кислород за счет электролиза воды. Электролизеры с ПОМ включают в себя электролизный материал, который включает в себя протонопроводящую полимерную мембрану. При намокании мембраны происходит выделение содержащейся в ней сульфоновой кислоты, а мембрана становится кислотно- и протонопроводящей. Протоны, т.е. положительно заряженные ионы водорода, проходят через мембрану, тогда как анионы, т.е. отрицательно заряженные ионы, через мембрану не проходят.

Таким образом, как известно из уровня техники, электролизеры с ПОМ при подаче постоянного напряжения на электроды (т.е. катод и анод), имеющиеся в электролизерах с ПОМ, разделяют чистую воду на водород и кислород. Когда постоянное напряжение превышает напряжение разложения, электролизер расщепляет чистую воду на водород и кислород. Известны и другие технологии разделения воды на водород и кислород. Также как известно из уровня техники, технология топливных элементов позволяет использовать водород в качестве топлива для выработки электричества. Например, водород, полученный при помощи электролизеров с ПОМ, накапливается в топливных элементах. Помимо этого, несколько отдельных топливных элементов могут быть объединены в блок, именуемый в данной области техники «батарея топливных элементов». Для достижения существенного выходного напряжения и/или тока желательно использовать батарею топливных элементов. Таим образом, для достижения существенных выходных напряжений несколько отдельных топливных элементов необходимо объединить в блок, именуемый батарей топливных элементов.

Смежные топливные элементы могут быть соединены разделителем, который может быть выполнен в виде пластины. Пластина может функционально обеспечивать электрические соединения между соответствующими топливными элементами. Также пластины могут обеспечивать транспортировку газа в направлении соответствующих топливных элементов и от них. Дополнительное тепло, создаваемое соответствующими топливными элементами, может рассеиваться разделительной пластиной. Помимо этого, смежные элементы могут герметизироваться разделительной пластиной, тем самым, исключая утечки топлива и окислителя.

По отдельным известным вариантам осуществления пластины прикреплены к концам батареи топливных элементов. Пластины функционально могут обеспечивать электрические соединения одной или нескольких внешних цепей и могут также обеспечивать соединения для потока газа. Вследствие выработки тепла, один или несколько топливных элементов могут быть дополнительно оснащены устройствами охлаждения, в том числе воздушного или водяного.

В известных водородных топливных элементах выработка электричества осуществляется за счет взаимодействия атомов водорода с пластиной, которая фактически забирает электроны из атомов водорода и создает свободные электроны. Водород, в целом, существует в природе в виде молекул диводорода (H²). Каждые две молекулы диводорода (2H²) включают в себя 4 протона водорода и 4 свободных электрона потенциальной энергии (4H⁺ + 4e^-). Кроме этого, как известно, атомы кислорода соединяются с положительно заряженными протонами водорода (4H⁺) за счет единственной пары электронов во внешней оболочке кислорода. Кислород существует в природе в виде молекул дикислорода (O²). Атомы кислорода связываются с протонами водорода, создавая в результате атомы воды и оставляя свободные электроны, вырабатывая тем самым электричество (4H⁺ + 4e^- + O² -> 4H⁺+ O² + 4e^- -> 2H²O + 4e^-). Известны и другие технологии получения электричества с использованием водорода.

Также по известным вариантам осуществления конкретное выходное напряжение определяется соответствующим количеством отдельных топливных элементов. Элементы имеют последовательные электрические соединения таким образом, что добавление или удаление топлива соответственно приводит к увеличению или уменьшению выходного напряжения. Как известно, общее выходное напряжение определяется суммой выходных напряжений каждого топливного элемента.

Кроме этого, известно хранение водорода в виде гидрида металла, например, в кристаллической решетке некоторых металлов или металлических сплавов. Как известно из уровня техники, при связывании водорода с металлом (или сплавом) для образования гидрида металла происходят экзотермические (создающие тепло) реакции и накопление водорода. При нагреве гидрида металла происходит выделение водорода, который затем может использоваться в топливном элементе. Как вариант, водород может выделяться из гидрида металла за счет отрицательного давления воздуха или подачи слабого электрического тока.

Хранение водорода в виде гидрида металла является предпочтительным способом хранения водорода, поскольку считается, что в этом случае его безопасней и проще использовать. Кроме этого, небольшой объем гидрида металла функционально позволяет хранить значительные количества водорода и может обеспечивать значительные количества топлива для выработки электричества. Между тем одним из известных недостатков хранения гидрида металла для выработки электричества является низкая плотность накопленной энергии на единицу массы, поэтому накопительные баки являются достаточно тяжелыми. Кроме этого, хранение водорода в виде гидрида металла, в целом, также требует высокого давления для внедрения атомов водорода в кристаллическую структуру металла. Для удержания водорода в виде гидрида металла требуется относительно низкое давление, обычно 3,1 – 5,5 МПа, однако даже подобное относительно низкое давление хранения оказывается слишком высоким, чтобы считать его безопасным. Поэтому использование высокого давления создает такие же проблемы для безопасности, которые были рассмотрены выше применительно для хранения под высоким давлением газообразного водорода.

Соответственно, было бы желательно предложить энергоблок, лишенный вышеуказанных недостатков, связанных с использованием высокого давления, безопасностью, эффективностью, а также других недостатков.

Раскрытие изобретения

По одному из предпочтительных вариантов осуществления раскрывается энергоблок, в котором хранится вода и водород. Энергоблок включает в себя источник электроэнергии, который при необходимости может быть интегрирован в материал непосредственно самого блока, который при эксплуатации в первом режиме подает электричество для получения водорода из воды. Во втором режиме, подобный водород безопасно и надежно хранится в твердом виде в энергоблоке. В третьем режиме водород используется для выработки электричества.

Энергоблок по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя корпус, источник питания, установленный в корпусе или на корпусе и выполненный с возможностью подачи электроэнергии, жидкостную камеру внутри корпуса, выполненную с возможностью вмещения определенного объема текучей среды, электролизный элемент внутри корпуса, электрически связанный с источником питания и сообщающийся по текучей среде с жидкостной камерой, электролизную камеру, выполненную с возможностью и функционально позволяющую разлагать текучую среду и получать газообразный водород, водородонакопительный элемент внутри корпуса, соединенный с электролизным элементом и выполненный с возможностью хранения водорода в твердой форме, и топливный элемент внутри корпуса, соединенный с водородонакопительным элементом и функционально позволяющий вырабатывать электроэнергию при помощи по меньшей мере водорода, поступающего из водородонакопительного элемента.

Энергетическая система по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя множество энергоблоков, каждый энергоблок включает в себя корпус, источник питания, установленный в корпусе или на корпусе и выполненный с возможностью подачи электроэнергии, жидкостную камеру внутри корпуса, выполненную с возможностью вмещения определенного объема текучей среды, электролизный элемент внутри корпуса, электрически связанный с источником питания и сообщающийся по текучей среде с жидкостной камерой, электролизную камеру, выполненную с возможностью и функционально позволяющую разлагать текучую среду и получать газообразный водород, водородонакопительный элемент внутри корпуса, соединенный с электролизным элементом и выполненный с возможностью хранения водорода в твердой форме; и топливный элемент внутри корпуса, соединенный с водородонакопительным элементом и функционально позволяющий вырабатывать электроэнергию при помощи по меньшей мере водорода, поступающего из водородонакопительного элемента. Каждый энергоблок соединен по меньшей мере с одним другим энергоблоком таким образом, что несколько энергоблоков функционируют совместно для подачи электроэнергии с заданным напряжением или силой тока.

Другие признаки и преимущества станут понятны из последующего описания, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

В качестве иллюстрации на чертежах показана одна из форм осуществления изобретения, которая на данный момент является предпочтительной, между тем следует понимать, что изобретение не ограничено представленными конкретными компоновками и инструментарием. Признаки и преимущества содержащихся здесь идей станут понятны из последующего описания, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан вид в перспективе спереди и сверху энергоблока по одному из вариантов осуществления настоящей заявки;

на фиг. 2 – вид в перспективе сзади и снизу энергетического элемента по фиг. 1;

на фиг. 3 – вид в сечении энергетического элемента по фиг. 2;

на фиг. 4 – более детализированный вид водородонакопительного компонента энергетического элемента по фиг. 1 -3;

на фиг. 5 – вид в сечении водородонакопительного компонента по фиг. 4;

на фиг. 6 – более детализированный вид конструкции конической шпиндельной головки, являющейся частью водородонакопительного компонента по фиг. 4-5; и

на фиг. 7 – более детализированный вид осушающего устройства энергетического элемента по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

По разным рассматриваемым и изображенным здесь вариантам осуществления предлагается переносной и исключительно долговечный источник энергии, который работает автономно, для выработки, например, электричества. Со ссылкой на чертежи, где схожие элементы обозначены схожими ссылочными позициями, на фиг. 1 показан вид спереди и сверху источника энергии в виде энергоблока 10. На фиг. 2 показан вид сзади и снизу энергетического блока, а на фиг. 3 показан его вид в сечении. На изображенных и рассматриваемых здесь примерах водород является предпочтительным топливом, используемым энергоблоком 10 для выработки электричества. Между тем, не выходя за объем изложенных здесь идей изобретения, допустимо в качестве топлива для получения электричества использовать другие химические вещества и/или элементы. Поэтому энергоблок 10 по настоящей заявке не ограничен использованием воды. Хотя для транспортировки электронов используется водород, способ электролиза между тем может быть иным. Например, источником электронов, в качестве которого, как было указано выше, используется вода, как вариант также может быть биотопливо.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления энергоблок 10 имеет прямоугольную форму в виде кирпича, как это показано, например, на фиг. 1. Имеется внешняя рама 8, в которой находятся водородонакопительный компонент 20, электролизный компонент 30 и компонент 40 из топливных элементов. Как показано на изображении, боковые панели 11, прикрепленные к раме 8 предпочтительно изготовлены из обесцвеченного, прозрачного или светопропускающего материала, такого как например, люцит. Прямоугольная форма является предпочтительной, однако можно использовать и другие формы, в том числе, но не только, треугольные, сферические, конические, цилиндрические и пирамидальные. Энергоблок 10 предпочтительно выполнен и сконструирован таким образом, чтобы несколько блоков могли комплектоваться или иным образом объединяться между собой, физически и/или функционально. На самом деле множество энергоблоков 10 могут комплектоваться друг с другом и являться частью конструкции, такой как стена или здание.

Помимо этого, отдельные блоки 10 могут комплектоваться и взаимно соединяться для получения более крупных и более мощных источников энергии. Блоки могут соединяться параллельно, например, для получения более высокого напряжения, или последовательно, в целом, для увеличения амперной нагрузки. Взаимное соединение может обеспечиваться простым соединением двух блоков 10 между собой. По одному из вариантов осуществления на торце одного из блоков 10 имеются штыри 12, а на торце другого блока 10 имеются разъемы 14 (см. фиг. 1-2) под штыри 12 первого блока. Компонент 40 из топливных элементов предпочтительно включает в себя множество топливных элементов в виде батареи топливных элементов, как это было рассмотрено выше.

Энергоблок 10 также включает в себя водяную камеру 50, выполненную с возможностью удержания определенного объема воды или другой текучей среды. По одному из предпочтительных вариантов осуществления блок 10 суммарно вмещает примерно 1,1 литра воды. Следует отметить, что в зависимости от интенсивности использования энергоблок 10 можно увеличивать или уменьшать, увеличивая или уменьшая по мере необходимости объем находящейся в нем воды.

Данный объем воды используется электролизным компонентом 30 для создания запаса водорода. Электролизный компонент 30 включает в себя или соединен с источником 60 напряжения, обеспечивающим подачу тока достаточной силы в электролизный компонент 30 для разделения воды на газообразный водород и кислород.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления источник 60 напряжения является источником напряжения, использующим солнечную энергию. Поэтому солнечный свет преобразуется в электричество, например, при помощи фотогальванического элемента (не показан). По одному из предпочтительных вариантов осуществления источник 60 напряжения включает в себя монокристаллические кварцевые фотоэлементы, установленные на боковых сторонах блока 10. По одному из вариантов осуществления фотоэлементы могут быть встроены в панели 11, например, как это показано на фиг. 1. Для преобразования энергии солнца в электричество предпочтительно используется технология преобразования солнечной энергии при помощи фотоэлементов или солнечных фотоэлектрических батарей. Электричество, получаемое из солнечного света, используется электролизером с ПОМ (или другим электролизером) внутри электролизного компонента 30 для выделения водорода из чистой воды или других источников. Хотя предпочтительно, чтобы воды была чистой, это не является обязательным требованием, при условии, что вода не содержит растворенных твердых веществ. Соответственно, газообразный водород получают из очищенной воды в результате электролиза. Позже водород преобразуется в электричество, например, при помощи одного или нескольких топливных элементов из компонента 40 с топливными элементами, в которых водород вновь соединяется с кислородом для выработки электричества. При необходимости выделенный из воды кислород также может собираться и использоваться компонентом 40 из топливных элементов, например, для получения электричества, либо для любых других целей. Например, по одному из предпочтительных вариантов осуществления отделенный кислород может использоваться для очистки воды. Кислород может использоваться для уничтожения микробов, например, при очистке питьевой воды. Кислород также может использоваться в медицинских целях, например, в качестве кислорода для дыхания. Кислород также может использоваться, например, для стерилизации других предметов, таких как кухонная утварь или медицинских инструментов. Кислород также может использоваться при очистке воздуха. Хотя электричество, получаемое за счет солнечной энергии с использованием источника 60 напряжения, предпочтительно используется для электролиза, оно также может использоваться только для подачи электричества на другие устройства.

Таким образом, в первом режиме эксплуатации энергоблок 10 используется для сбора водорода с целью его последующего преобразования в электричество при помощи электролизного компонента 30. По одному из предпочтительных вариантов осуществления блок 10 не используется одновременно для сбора водорода и выработки электричества. То есть блок 10 попеременно используется лишь в каком-то одном из режимов.

После образования газообразного водорода его хранение предпочтительно осуществляется во время второго режима использования. Хранение водорода может быть непростой задачей, принимая во внимание опасности, связанные с хранением любых больших объемов воспламеняемого газа под давлением. Между тем одно из преимуществ, обеспечиваемых энергоблоком 10 по настоящему изобретению, заключается в том, что водород хранится в твердой форме безопасно и надежно, как это будет более подробно рассмотрено ниже. Хотя водород, в целом, хранится для получения электричества, водород также может использоваться и для других целей. Например, при необходимости, водород можно использовать в качестве топлива для приготовления пищи или обогрева. Кроме этого, при необходимости водород можно использовать сразу, до его накопления. По одному из вариантов осуществления водород, получаемый при помощи электролизного компонента 30, проходит через осушающее устройство 70. На фиг. 7 верхняя крышка устройства 70 не видна. Осушающее устройство 70 включает в себя водяной столб, через который проходит сепарируемый газообразный водород из электролизного устройства 30. Вода, например, может подаваться через форсунку 75. Водород, например, может подаваться через форсунку 74, расположенную снизу устройства 70. За счет барботирования газообразного водорода через водяной столб осушающего устройства 70 из водорода удаляется влага. То есть, любые водяные пары, содержащиеся в газообразном водороде, будут стремиться соединиться с молекулами воды по мере барботирования газа через воду в осушающем устройстве 70. Помимо этого, сверху устройства 70 имеется мембрана 72, изготовленная из материала, который пропускает водород, но задерживает водяной пар. Поэтому при прохождении через осушающее устройство 70 отделенный газообразный водород имеет столь низкое процентное содержание водяного пара, что его можно считать «сухим». Помимо этого, для более эффективного осушения водорода можно использовать десикант. Подобный сухой водород проще складировать в твердой форме. Водород предпочтительно выходит из устройства 70 через форсунку 76.

По одному из вариантов осуществления осушающее устройство 70 может включать в себя аэратор, через который проходит газообразный водород перед его накоплением. Аэратор изготовлен из цинка или включает в себя цинковый катализатор, который удаляет весь газообразный кислород, который может находиться в газообразном водороде. Аэратор может быть частью устройства 70, либо может находиться снаружи устройства 70, между устройством и водородонакопительным устройством 20. Чистый водород проще хранить в твердой форме, чем водород, который содержит примесь кислорода. Аэратор используется для удаления из водорода любого остаточного кислорода.

На фиг. 4 показан более детализированный вид водородонакопительного компонента 20, который предпочтительно имеется в энергоблоке 10. На самом деле, как можно заметить из фиг. 1-3, в блоке 10 предпочтительно имеются два водородонакопительных компонента 20. Между тем количество водородонакопительных компонентов 20 может быть увеличено или уменьшено.

На фиг. 5 показан вид в сечении типового варианта осуществления водородонакопительного компонента 20. По одному из предпочтительных вариантов осуществления по внешнему периметру компонента 20 проходит внешняя цилиндрическая оболочка 21. Внешняя гильза 22 из достаточно жесткого материала находится внутри внешней оболочки 21. Внутри внешней гильзы 22 находится материал 23 из гидрида металла. Материал 23 из гидрида металла является сплошным материалом, который поглощает газообразный водород, обеспечивая безопасное и надежное хранение. Внутренняя гильза 24 расположена на внутренней поверхности материала 23 из гидрида металла. Материал внутренней гильзы 24 выполнен и структурирован таким образом, чтобы он обладал гибкостью и позволял газообразному водороду свободно проникать в гидрид 23 металла. Между внутренней гильзой 24 и конусообразной шпиндельной головкой 26, установленной в центре компонента 20, имеется зазор из водорода. У шпиндельной головки имеется центральная ось Н, по существу выровненная с центральной осью компонента 20. Соленоид 27 соединен со шпиндельной головкой 26 посредством исполнительного элемента 27а, который может перемещаться вверх и вниз с требуемой частотой. Шпиндельная головка 26, таким образом, перемещается вверх и вниз с такой же требуемой частотой. Зазор 25 заполнен газообразным водородом, который подается электролизным компонентом 30 и поступает в компонент 20, например, через форсунку 29. По одному из предпочтительных вариантов осуществления в точках входа и выхода водорода могут быть установлены запорные клапаны, позволяющие предотвращать создание противодавления и исключающие затягивание в камеру воздуха. Небольшие перепады давления, создаваемые соленоидом, способствуют выталкиванию водорода в гидриды на ходе сжатия и не позволяют пониженному давлению затягивать воздух в камеру на ходе на разжим.

Перемещение соленоида 27 и прикрепленной к нему шпиндельной головки 26 обеспечивает двойное преимущество. Во-первых, частота, с которой перемещается соленоид 27, выбирается таким образом, чтобы она резонировала с частотой материала 23 из гидрида металла. Подобная частота меняется в зависимости от конкретного материала и его относительного количества. Между тем, резонанс приводит к вибрации кристаллической решетки гидрида 23 металла. Резонансная вибрация увеличивает вероятность или возможность соединения водорода с решеткой. В результате, водороду становится проще встраиваться в решетку без необходимости создания высокого давления. Перемещение шпиндельной головки 26 также физически вталкивает водород в зазор 25 в направлении материала 23 из гидрида металла. То есть ударное усилие перемещающейся головки 26 многократно заставляет водород двигаться в ослабленную кристаллическую структуру гидрида 23 металла. За счет этого поглощение водорода гидридом 23 металла происходит при низком давлении. Как отмечалось выше, внутренняя гильза 24 изготовлена из материала, позволяющего водороду легко проходить через нее и попадать в материал 23 из гидрида металла. Подобный материал также является гибким, что позволяет ему выдерживать увеличение объема материала 23 после поглощения им водорода.

Таким образом, большой объем водорода можно безопасно хранить в твердой форме в материале 23 из гидрида металла. Помимо этого, как отмечалось выше, «сухой» водород в твердой форме в целом проще хранить. Поэтому сухой водород, находящийся в энергоблоке 10, в целом, проще хранить в твердой форме. Ни один другой источник питания на основе водорода не обладает подобными уникальными признаками, позволяющими безопасно и надежно хранить водород в твердой форме или хранить в твердом состоянии при низом давлении.

Хотя в настоящей заявке рассматривается использование соленоида 27 для обеспечения перемещения шпиндельной головки 26, допустимо использование других альтернативных средств. Например, вместо соленоида 27 можно использовать пьезоэлектрический материал. Подобные материалы, после подачи напряжения, создают вибрации с очень высокой частотой, обычно в диапазоне 50-20 000 Гц. При этом амплитуда движений очень незначительна. Точная амплитуда зависит от размера используемой диафрагмы. В свою очередь, соленоид 27 обеспечивает частоту колебаний примерно в 60-2 500 Гц и перемещение шпиндельной головки 26 меньше, чем у соленоида. Как вариант, вибрация с относительно высокой частотой может быть обеспечена небольшим электродвигателем, подобно тем, что используются для создания вибрации в мобильных телефонах. Подобные устройства вибрируют с более высокой частотой, чем соленоид, обычно примерно в диапазоне 60-10 000 Гц, что значительно ниже, чем у пьезоэлектрического материала. При этом амплитуда колебаний намного больше, чем у пьезоэлектрического материала, но меньше, чем у соленоида. Хотя соленоид предпочтителен, в водородонакопительном элементе 20 можно использовать любой вибрационный элемент.

По другому варианту осуществления соленоид 27 и шпиндельная головка 26 могут быть установлены в чашеобразный узел крышки (не показан), установленный в зазоре 25 с водородом. Узел крышки предпочтительно включает в себя нижнюю часть, обычно с нижними и боковыми стенками, проходящими от нее вверх, в направлении верхней части с отходящим от нее перпендикулярно наружу фланцем. Нижняя часть узла крышки имеет цилиндрическую форму. Узел крышки обеспечивает физическое разделение между водородом в зазоре 25, шпиндельной головкой 26 и соленоидом 27. Это дополнительно повышает безопасность, поскольку легковоспламеняющийся водород оказывается дополнительно отделенным от соленоида 27, работающего от электричества. Помимо этого, узел крышки позволяет уменьшить величину зазора 25 с водородом таким образом, что компонент 20 может накапливать водород в гидриде металла при меньшем объеме водорода в зазоре. При вибрации шпиндельной головки 26 волюметрическое давление в нижней части узла крышки изменяется, что приводит к созданию вибраций в боковых стенках узла крышки. Подобная вибрация создает резонансное взаимодействие с материалом 23 и ударное усилие, перемещающее водород в зазоре 25 вокруг боковых стенок в материал из гидрида металла, который также окружает нижнюю часть узла крышки. По одному из вариантов осуществления нижняя часть узла крышки заполнена, по существу, несжимаемой текучей средой, такой как, например, вода. Данный вариант осуществления обеспечивает хорошую управляемость над изменением волюметрического давления, создаваемого за счет вибрации соленоида 27. Использование воды с оппозитных сторон водородного накопителя позволяет увеличивать давление, поскольку гидравлическое давление, в целом, обладает более высокой эффективностью. Поскольку воздух является сжимаемой текучей средой, часть перемещений просто амортизируется воздухом. В свою очередь, гидравлическая система, поскольку вода является несжимаемой текучей средой, имеет более высокую эффективность.

По третьему варианту осуществления накопленный водород высвобождается из гидрида 23 металла и поступает в компонент 40 из топливных элементов для выработки электричества. Как отмечалось выше, материал 23 из гидрида металла находится между внешней гильзой 22 и внутренней гильзой 24. Внутренняя гильза изготовлена из материала, который является относительно проницаемым для газообразного водорода и гибким, что позволяет ему компенсировать увеличивающийся объем материала 23 по мере поглощения им водорода. Внешняя гильза 22 предпочтительно является достаточно жесткой. Межу тем, материал внутренней гильзы 24 является относительно эластичным таким образом, что он стремиться принять свою первоначальную форму после того как давление водорода в зазоре 25 падает ниже определенного значения, вследствие чего водород прекращает проникать в материал 23. Давление в камере во время накопления увеличивается примерно до 551,6 кПа. После открытия выпускного отверстия камеры, например, форсунки 29а, подобное давление падает, и водород выходит из гидрида 23. Давление, создаваемое гибким материалом гильзы 24, также способствует выходу водорода. Выходящий водород затем поступает в компонент 40 из топливных элементов, например, через форсунку 29а компонента 20.

На фиг. 6 показан более детализированный вид шпиндельной головки 26. Как можно заметить, шпиндельная головка 26 имеет конусную форму, что максимально увеличивает площадь поверхности ее контакта с водородом, находящимся в зазоре 25. Кроме этого, конусная форма позволяет создавать волну сжатия, направляя ее к верхней и нижней частям накопительной емкости. Помимо этого, для деления зазора 25 на отсеки, с целью максимального увеличения ударного усилия шпиндельной головки 26, используются вертикальные ребра 21а. Материал 23 из гидрида металла может быть аналогичным образом разделен на компонентные сегменты для их размещения в отсеках.

Водород, выходящий из материала 23 из гидрида металла, поступает в компонент 40 из топливных элементов, где он используется для выработки электричества при помощи любых известных технологий. Водород также может использоваться для других целей, например, водород может непосредственно сжигаться для обогрева или приготовления пищи. По одному из предпочтительных вариантов осуществления компонент 40 из топливных элементов включает в себя несколько отдельных топливных элементов, объединенных в блок. Как отмечалось выше, подобное группирование топливных элементов, в целом, называется «батарей топливных элементов». Для достижения существенного выходного напряжения и/или тока желательно использовать батарею топливных элементов. Каждый топливный элемент предпочтительно включает в себя металлическую пластину, которая может быть изготовлена из твердого металла, такого как платина, и может использоваться в качестве протонообменной мембраны при электролизе. То есть по одному из вариантов осуществления элементы электролизного компонента 30 и компонента 40 из топливных элементов могут быть объединены или использоваться совместно. То есть, по одному из вариантов осуществления электролизный компонент 30 и компонент 40 из топливных элементов могут быть объединены в единый компонент. Подобный компонент можно назвать реверсивным топливным элементом. Объединенный компонент объединяет водород с кислородом для получения электричества (и воды), а также функционально способен расщеплять воду на водород и кислород при подаче электричества, например, от источника 60 питания.

При выработке электричества с использованием компонента 40 из топливных элементов в качестве естественного побочного продукта образуется чистая вода, при этом вода остается в энергоблоке 10 для последующего использования в процессе электролиза. Поэтому, по одному из предпочтительных вариантов осуществления энергоблок 10 при помощи источника 60 питания аккумулирует солнечный свет и преобразует солнечный свет в электричество. Данное электричество используется для преобразования воды в водород в процессе электролиза. Подобный водород затем накапливается в твердом виде для последующего использования при выработке электричества при помощи компонента 40 из топливных элементов.

Между тем КПД энергоблока 10 не является 100%, поэтому время от времени может требоваться добавление воды или других материалов, таких как гидрид металла. Например, во время выработки электричества часть воды может не конденсироваться и теряться, вследствие чего ее нельзя будет использовать для получения водорода в процессе электролиза. Соответственно для восстановления КПД блока, повышения объема выработки электричества и увеличения срока службы блока 10 может потребоваться долив чистой воды. Помимо этого, также может потребоваться ремонт или замена других компонентов. Хотя гидридный материал не расходуется, он может комковаться из-за присутствия загрязнителей, поэтому может потребоваться его замена. В этой связи желательно обеспечить доступ к внутренней части энергоблока, например, по меньшей мере, за счет снятия панелей 11.

По одному из вариантов осуществления, как отмечалось выше, внутри блока 10 имеются разъемы 14. Предпочтительно диаметр штырей 12 чуть больше диаметра разъемов 14. При прижатии двух блоков 10 друг к другу штыри входят в разъемы 14 и, по существу, прижимаются внутри и вокруг разъемов 14. Разъемы 14 предпочтительно изготовлены из упругого материала, таким образом, чтобы части разъемов 14 прижимались к штырям 12. За счет этого, трение препятствует разъединению между собой двух энергоблоков 100 с водородным топливом. Как вариант или дополнение, для соединения блоков между собой могут использоваться другие крепежные устройства, такие как крепеж 15 по фиг. 1.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления некоторые штыри 12 и разъемы 14 выполнены из проводящего материала и выступают в качестве электрических точек контакта либо между энергоблоками 10, либо с внешней электрической нагрузкой. По одному из предпочтительных вариантов осуществления полярность штырей 12 и приемных частей 14 можно менять, соединяя множество блоков последовательно, увеличивая тем самым суммарное выходное напряжение. Как вариант, множество блоков 10 можно соединять параллельно, увеличивая тем самым суммарную силу тока в амперах. Штыри также можно использовать для транспортировки воды или водорода между блоками 10. Помимо этого, можно использовать так называемые ложные штыри, которые не обеспечивают сообщения между блоками, а обеспечивают лишь конструктивную прочность при соединении блоков.

В штыре 12 предпочтительно имеется элемент изменения полярности. Предпочтительно штырь 12 выполнен таким образом, чтобы пользователь мог менять полярность путем простого нажатия и поворота штыря 12 в соответствующее положение. Например, при повороте штыря 12 по часовой стрелке происходит включение отрицательной полярности, тогда как при повороте штыря 12 против часовой стрелки происходит включение положительной полярности. Допустимы альтернативные варианты осуществления. Например, у штыря 12 имеется первый конец и второй конец, а сам штырь может быть съемным. По данному альтернативному варианту осуществления соответствующая полярность может выбираться пользователем за счет помещения соответствующего конца (т.е. первого или второго конца) в разъем 14. По другому альтернативному варианту осуществления штырь 12 и/или разъем 14 могут быть снабжены переключателем, который позволяет пользователю выбирать соответствующую полярность.

Возможность переключения пользователем полярности является существенным признаком рассматриваемых здесь идей изобретения, поскольку это позволяет пользователю подключать множество энергоблоков 100 на водородном топливе последовательно или параллельно. Так, подобно батарейкам (например, батарейкам типа ААА, батарейкам типа АА и т.п.) в соответствующем отсеке батареи, блоки 100 могут подключаться последовательно или параллельно.

По одному из вариантов осуществления, как отмечалось выше, штыри 12 также могут использоваться для транспортировки воды между соединенными между собой энергоблоками 10. По одному из вариантов осуществления один из штырей 12 используется в качестве прохода, позволяющего воде проходить из одного энергоблока в другой. Два других штыря 12 могут использоваться для регулирования давления воды в группе блоков. Аналогичным образом, из числа электропроводящих стержней один штырь 12 может использоваться в качестве прохода для электричества между энергоблоками, а два других штыря 12 могут иметь средства регулировки полярности, рассмотренные выше, позволяющие связывать блоки 10 последовательно и параллельно. Хотя в рассмотренных выше вариантах осуществления суммарное количество стержней не превышает 6, можно использовать большее или меньшее количество стержней. Например, на фиг. 1-3 показано восемь штырей 12. Соответствующие разъемы 14 предпочтительно видоизменяются соответствующим образом для использования со штырями 12, как это было рассмотрено выше.

Настоящим предполагается, что множество энергоблоков 10 используются в течение определенного времени для выработки значительного количества электроэнергии. В целом, считается, что оптимальным соотношением времени, необходимого для получения водорода (например, при электролизе), к времени, в течение которого электричество подается, как при линейном напряжении, является соотношение от 2.5:1 до 3:1. Например, накопление солнечного света в течение четырех часов и получение водорода в течение еще получаса обычно позволяет осуществлять выработку электричества из запасенного водорода в течение одного часа. Разумеется, специалисту в данной области техники будет понятно, что на подобное соотношение могут влиять различные природные и/или внешние факторы. Например, при отсутствии солнечного света в течение длительного времени в пасмурные дни или в случае загрязнения блока 100 с течением времени соотношение может увеличиваться, например до 5:1, тем самым временно снижая общий кпд блока 100. По мере совершенствования технологий известных солнечных панелей и появления новых топливных элементов, в том числе с полимерной мембраной, эффективность подзарядки и выработки электричества с использованием блоков 100 из топливных элементов будет увеличиваться.

Так, по одному из предпочтительных вариантов осуществления энергоблок 10 предпочтительно сгруппирован с двумя другими аналогичными блоками для совместного использования с целью получения более или менее постоянного источника энергии. По данному варианту осуществления один энергоблок 100, в первом режиме эксплуатации, будет получать водород в процессе электролиза, тогда как второй блок, во втором режиме эксплуатации, будет накапливать водород, а третий блок, в третьем режиме эксплуатации, будет вырабатывать электричество из выделяемого накопленного водорода. Затем блоки будут повторно проходить циклы в разных режимах эксплуатации. Предпочтительно, чтобы число энергоблоков 10, сгруппированных между собой, было кратно трем, таким образом, чтобы они могли использоваться дифференцировано, подобно тому, как это было рассмотрено выше.

По одному из вариантов осуществления энергоблок 10 наделен возможностями обработки и предпочтительно содержит одну или несколько цепей, переключателей или процессоров, известных из уровня техники, что позволяет последовательно управлять работой множества рассмотренных выше блоков 10. По другому варианту осуществления или как дополнение, энергоблок 10 может включать в себя простой механизм переключения, который меняет режим эксплуатации. По одному из вариантов осуществления переключательный механизм является переключателем, реагирующим на изменение давления, который после того как он определяет накопление определенного количества водорода, переключает блок 10 с получения водорода на накопление водорода. Другой переключатель или дополнительный переключатель позволяет переключаться из режима накопления водорода в режим выработки электричества. По одному из альтернативных вариантов осуществления переключательный механизм определяет, когда уровень воды достигает заданной отметки, указывая тем самым количество произведенного водорода, и переключает блок 10 из режима получения водорода в режим накопления водорода, а затем в режим выработки электричества с использованием водорода. Следовательно, блок 10 предпочтительно переключается между режимами получения водорода, накопления водорода и выработки электричества и функционирует соответствующим образом, в зависимости от положения переключателя или переключателей. Например, при необходимости переключательный механизм также может включаться процессором.

По одному из вариантов осуществления переключательный механизм, заставляющий блок 10 функционировать в режиме выработки водорода, режиме накопления водорода или в режиме выработки электричества выполнен в виде воздушного переключателя. По мере выработки водорода, например, в процессе электролиза, происходит увеличение давления. Увеличение давления приводит к включению переключателя, предпочтительно после достижения определенной величины давления. После этого, давление падает по мере накопления водорода в гидриде металла или использования водорода для выработки электричества. Затем происходит повторное включение переключателя и энергоблок 10 переходит в режим производства водорода. Использование проходов для воды и электричества между несколькими блоками связывает блоки таким образом, что для выбора момента переключения между режимами достаточно определения изменения одного лишь давления. При необходимости, управление подобными изменениями также может осуществляться при помощи процессора.

Считается, что напряжением и силой тока в амперах лучше управлять, если электричество получают из водорода, а не при помощи фотогальванического процесса. При получении электричества из водорода, идеи настоящего изобретения исключают необходимость использования дополнительных компонентов, таких как выпрямители и другое оборудование, известное из уровня техники в качестве линейных средств согласования, которые могут быть необходимы для подготовки выходного напряжения. Другими словами, при получении электричества из водорода качество напряжения повышается. Кроме этого, электричество, вырабатываемое блоком 10, можно подготавливать или преобразовывать, предпочтительно при помощи съемного инвертера.

Считается, что предлагаемые здесь решения особенно актуальны для областей, где электроэнергия, получаемая из водорода, используется с гуманитарными, образовательными или коммерческими целями. Энергоблоки 10 являются портативными и исключительно долговечными источниками энергии, которые функционируют автономно и которые можно комплектовать и соединять между собой для получения более крупных источников энергии. Одним из примеров использования электричества, получаемого с использованием содержащихся здесь идей, является эксплуатация скважин в отдаленных районах при минимальном надзоре. Кроме этого, как отмечалось выше, кислород, генерируемый блоком 10, может использоваться, например, при очистке воды. Так, высокотехнологичное и сложное решение, которое достаточно просто в реализации, может использоваться для низкотехнологичных применений. Одним из преимуществ энергоблока 10 по настоящей заявке является портативность. Для передислокации крупного генератора может потребоваться его разборка и транспортировка в виде нескольких компонентов. При этом возникает вероятность утери ключевых компонентов. В свою очередь, при использовании энергоблоков 10 блоки можно комбинировать в любой конфигурации для получения требуемой мощности. Потеря любого из блоков не является критичной для функционирования системы в целом.

По другому варианту осуществления и в другой типовой области использования, предлагается использовать множество энергоблоков 10 для открытой концертной площадки. По данному типовому варианту осуществления компоненты системы, в том числе процесс электролиза с использованием солнечной энергии, устройство хранения водорода и топливные элементы, включающие в себя прозрачные панели 11, позволяют получить источник питания, который является элементом представления и искусства и привлекает совершенно иной уровень внимания к его возможностям. Блоки питания 10 питают энергией многие (если не все) элементы площадки, в том числе, например, сцену, освещение, буфет и даже транспортные средства, такие как электрокары. Преимущество раскрываемых здесь идей изобретения заключается в том, что при выработке электричества не происходит загрязнения окружающей среды, а поскольку энергоблоки 11 включают в себя прозрачную панель 11, это оказывает дополнительный познавательный эффект. Доставив энергоблоки 10 на объект заранее за один или несколько дней, можно использовать солнечную энергию для получения водорода, который может безопасно хранится до тех пор, пока не будет получено достаточное количество водорода для снабжения электроэнергией проводимого мероприятия. Площадка может быть стационарной или передвижной, в зависимости от ее размера и соответствующей области применения. Допустимы также другие области применения, которые могут варьироваться от небольшой трибуны до полномасштабной концертной сцены.

Кроме этого, топливные элементы с ПОМ вырабатывают кислород и воду, которая создает пузырьки, что способствует улучшению общего эстетического вида. Возможны также и другие факторы, повышающие эстетическую привлекательность, в том числе подсветка энергоблоков 10 разным цветом, лазерами и т.п. Таким образом, помимо экологичности и ресурсосбережения повышается эстетичность.

Поскольку режим выработки электричества у блока 10 является экзотермическим, рассеивание тепла с пластины и из воды происходит через мембрану, которая выступает в качестве вентиля. Таким образом, при вентиляции тепло удаляется из топливного элемента 10 и может проходить через одну или несколько мембран. Блок 10 вырабатывает тепло при накоплении водорода и охлаждается до 60°F (15°С) или около этого при выработке электричества. Кроме этого, топливные элементы используются в качестве источников энергии и в качестве окон. По одному из вариантов осуществления блоки 10 могут быть выполнены таким образом, чтобы они выделяли тепло на этапе выработки электричества в заданном направлении. Так окно, содержащее один или несколько блоков 10 из топливных элементов, позволяет направлять поток тепла внутрь, нагревая тем самым сооружение, такое как дом, и может использоваться в качестве других защитных и гуманитарных решений. Кроме этого, накопительный блок может использоваться без электролизного блока, например, для выработки электричества без шума и нагрева.

Хотя предлагаемые здесь идеи были рассмотрены и показаны применительно к конкретным вариантам их осуществления, специалистам в данной области техники будут очевидны другие многочисленные вариации и модификации, а также области применения. Поэтому предпочтительно, чтобы настоящее изобретение не было ограничено конкретными раскрываемыми здесь примерами.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к водородонакопительному компоненту энергоблока, который обеспечивает безопасное и надежное хранение водорода, используемого для выработки электричества, и может быть использовано для снабжения электроэнергией удаленных объектов. Повышение безопасности хранения водорода и, соответственно, работы энергоблока является техническим результатом изобретения. Энергоблок по одному из вариантов осуществления накапливает по меньшей мере воду и водород и включает в себя электролизный компонент, функционально позволяющий получать водород из воды, водородонакопительный элемент, функционально позволяющий безопасно и надежно хранить водород в твердой форме, и топливный элемент, функционально позволяющий вырабатывать электричество из водорода. Энергоблок может быть сгруппирован с другими аналогичными энергоблоками для обеспечения постоянного питания соответствующих областей применения. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Водородонакопительный компонент, содержащий:

внешнюю оболочку;

внешнюю гильзу;

материал из гидрида металла, расположенный внутри внешней гильзы, причем материал из гидрида металла способен поглощать газообразный водород;

внутреннюю гильзу, расположенную на внутренней поверхности материала из гидрида металла, причем материал из гидрида металла находится между внешней гильзой и внутренней гильзой; и

зазор, расположенный на внутренней поверхности внутренней гильзы, причем зазор заполнен газообразным водородом.

2. Водородонакопительный компонент по п. 1, в котором внешняя оболочка является внешней цилиндрической оболочкой.

3. Водородонакопительный компонент по п. 1, в котором внешняя гильза расположена внутри внешней оболочки.

4. Водородонакопительный компонент по п. 1, в котором внутренняя гильза является гибкой.

5. Водородонакопительный компонент по п. 4, в котором внутренняя гильза позволяет газообразному водороду проникать в материал из гидрида металла.

6. Водородонакопительный компонент по п. 5, в котором внутренняя гильза является гибкой, чтобы выдерживать увеличение объема материала из гидрида металла, когда материал из гидрида металла поглощает водород.

7. Водородонакопительный компонент по п. 1, который содержит центральную ось.

8. Водородонакопительный компонент по п. 7, в котором центральная ось проходит через зазор.

9. Водородонакопительный компонент по п. 1, который содержит вибрационный элемент.

10. Водородонакопительный компонент по п. 9, в котором вибрационный элемент содержит компонент, выбранный из группы, состоящей из исполнительного элемента, соленоида, шпиндельной головки, электродвигателя, пьезоэлектрического материала и их комбинаций.

11. Водородонакопительный компонент по п. 9, в котором вибрационный элемент содержит шпиндельную головку, установленную в центре водородонакопительного компонента.

12. Водородонакопительный компонент по п. 9, в котором вибрационный элемент выполнен с возможностью перемещения с частотой, резонирующей с частотой материала из гидрида металла.

13. Водородонакопительный компонент по п. 1, который выполнен с возможностью доставки газообразного водорода под давлением 551,6 кПа.

14. Водородонакопительный компонент по п. 1, который содержит точку входа водорода и точку выхода водорода, а также запорный клапан в каждой из точек, причем запорные клапаны предотвращают затягивание воздуха в камеру водородонакопительного компонента.

15. Водородонакопительный компонент по п. 1, который соединен с топливным элементом и выполнен с возможностью доставки газообразного водорода в топливный элемент.

16. Водородонакопительный компонент по п. 1, который содержит осушающее устройство, соединенное с водородонакопительным компонентом.

17. Водородонакопительный компонент по п. 16, в котором осушающее устройство выполнено с возможностью доставки сухого газообразного водорода в водородонакопительный компонент.