РЕЗЕРВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК H01M8/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетике, в частности - к резервным источникам электро- и теплоэнергии [H01M8/00, H01M8/04, H01M8/04208, H01M2220/10, H01M2220/20, H01M2250/20, C01B3/00, C01B6/00].

Из уровня техники известна СИСТЕМА ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ [CA3219877 (A1), опубл. 01.12.2022], содержащее топливный элемент, вырабатывающий электроэнергию водородом; конденсатор, извлекающий водород, содержащийся в паре, выпускаемом из топливного элемента; и канал подачи водорода, который подает водород, извлеченный конденсатором, в топливный элемент, сепаратор, удаляющий примеси, отличные от водорода, из газа, содержащего водород, извлеченный конденсатором, паровую турбину, вырабатывающую электроэнергию паром, выпускаемым из топливного элемента, при этом конденсатор снабжается паром, выпускаемым из топливного элемента через паровую турбину.

Основным недостатком указанного технического решения является низкая эффективность его применения в качестве резервного (аварийного) электро- и теплопитания в электротранспорте и/или в походных экспедициях.

Из уровня техники также известна СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

[EP2192083 (A1), опубл. 02.06.2010], содержащая секцию выработки энергии, которая генерирует энергию путем подачи водорода в результате реакции воды, содержащейся в выхлопных газах из блока выработки энергии с содержащимся в нем гидридом магния, секцию регенерации, которая генерирует гидрид магния и второй кислород с магнием гидроксид, образующийся в результате реакции воды и гидрида магния в секции подачи водорода, и секция подачи кислорода, которая подает кислород в секцию выработки энергии путем подачи кислорода из секции регенерации.

Основным недостатком указанного технического решения является низкая эффективность его применения в качестве резервного (аварийного) электро- и теплопитания в электротранспорте и/или в походных экспедициях.

Из уровня техники также известно, принятое в качестве прототипа, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ [CN116914184 (A), опубл. 20.10.2023г.], содержащее подсистему хранения и предварительной обработки топлива, подсистему выработки электроэнергии, подсистему теплоснабжения и подсистему мониторинга, при этом водород выделяется за счет тепла, выделяемого катализатором в водородной котел в реакторе дегидрирования, высокотемпературная органическая жидкость для дегидрирования используется для нагрева и хранения воды, генерирование электрической энергии, тепловой энергии и воды производится путем электрохимической реакции части отделенных водорода и кислорода, подаваемых воздушным компрессором в блок топливных элементов, причем часть тепловой энергии используется для нагрева и хранения воды, избыточное тепло может быть выделено в окружающую среду через вытяжной вентилятор, другая часть водорода сжигается водородным котлом для выработки тепла, часть водорода используется для выделения водорода реактором дегидрирования, а часть водорода и оставшийся водород используется для нагрева и хранения воды.

Основными проблемами указанного прототипа являются:

низкая эффективность его применения в качестве резервного (аварийного) электро- и теплопитания в электротранспорте и/или в походных экспедициях, а также значительные габаритные размеры конструкции, ограничивающие его применение в различных условиях.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности создания резервного источника электро- и теплоэнергии, обеспечивающего повышение универсальности его применения, а также повышение эффективности его использования.

Указанный технический результат достигается за счет того, что резервный источник электро- и теплоэнергии содержит корпус, выполненный в виде мобильного переносного контейнера, внутри корпуса смонтированы расходный бак с водой или антифризом, соединенный с реактором, содержащим порт, к которому подключены с возможностью раздельной поочередной работы сменные картриджи с гидридом металла, причем порт смонтирован с возможностью подвода к картриджам воды или антифриза из расходного бака и отвода водорода, выделившегося в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла, к блоку топливных элементов, при этом с двух сторон картриджа с гидридом металла смонтированы механические вибраторы, выполненные с возможностью обеспечения излучения некогерентных колебаний с исключением в объеме картриджа зон с малой подвижностью реагирующих веществ в результате интерференции волн, на блоке топливных элементов смонтированы средства для подачи воздуха, блок топливных элементов выполнен с возможностью соединения через порт с магистралью подачи водорода или баллоном с водородом и с возможностью обеспечения образования электроэнергии и воды в результате соединения водорода с кислородом воздуха, блок топливных элементов соединён с расходным баком для подачи в него образовавшейся воды и с буферной аккумуляторной батареей, выполненной с возможностью накопления образовавшейся электроэнергии, буферная аккумуляторная батарея соединена с преобразователем электроэнергии, выполненным с возможностью преобразования электроэнергии до необходимых для потребителя электроэнергией параметров, при этом тепловая энергия выделяемая в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла в картридже, а также в результате соединения водорода с кислородом в блоке топливных элементов отводится для обогрева потребителей тепловой энергии.

В частном случае, мобильный переносной контейнер выполнен с габаритными размерами, обеспечивающие размещение его в электротранспорте.

В частном случае, мобильный переносной контейнер выполнен с габаритными размерами, обеспечивающие размещение его в дорожной сумке или походном рюкзаке.

В частном случае, в качестве гидрида металла в картриджах использован гидрид магния.

В частном случае, гидрид магния выполнен порошкообразным.

В частном случае, гидрид магния выполнен в виде трубчатой или пористой структуры.

В частном случае, внутри картриджа с гидридом металла смонтирован волновод, выполненный из магния или из магниевых сплавов.

В частном случае, тепловая энергия выделяемая в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла в картридже, а также в результате соединения водорода с кислородом в блоке топливных элементов отводится посредством обдува или омывания охлаждающей жидкостью.

В частном случае, в качестве потребителя электроэнергии в аварийных случаях используется электромобиль.

В частном случае, в качестве потребителей тепловой энергии используются расходный бак, блок топливных элементов, буферная аккумуляторная батарея или салон электромобиля.

В частном случае, резервный источник оснащен электрическим нагревателем, питающимся от буферной аккумуляторной батареи или внешней сети и выполненным с возможностью обеспечения запуска резервного источника при отрицательных температурных условиях окружающей среды.

В частном случае, в качестве антифриза используется этиловый спирт или смесь этилового спирта с водой, либо смесь воды с глицерином, этиленгликолем или диэтеленгликолем.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена общая схема резервного источника электро- и теплоэнергии;

На фиг.2 представлена схема реактора;

На фиг.3 представлена схема распределения тепловых потоков.

На фигурах обозначено: 1 - расходный бак; 2 - реактор; 3 - порт; 4 - картриджи с гидридом металла; 5 - блок топливных элементов; 6 - механические вибраторы; 7 - средства для подачи воздуха; 8 - порт для подключения баллона или магистрали с водородом; 9 - буферная аккумуляторная батарея; 10 - преобразователь электроэнергии; 11 - потребитель электроэнергии.

Осуществление изобретения.

Резервный источник электро- и теплоэнергии содержит корпус, выполненный в виде мобильного переносного контейнера, причем габаритные размеры корпуса обеспечивают его размещение в электромобиле или (в случае необходимости) в дорожной сумке, либо походном рюкзаке. Внутри корпуса смонтированы расходный бак 1 (см. фиг. 1, 2, 3) с водой или антифризом, соединенный с реактором 2, содержащим порт 3 к которому подключены с возможностью поочередной раздельной работы два сменных картриджа 4 с гидридом магния в виде порошка, причем порт 3 смонтирован с возможностью подвода к картриджам 4 воды или антифриза из расходного бака 1 и отвода водорода, выделившегося в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла, к блоку топливных элементов 5, при этом с двух сторон картриджа 4 с гидридом магния смонтированы механические вибраторы 6, выполненные с возможностью обеспечения излучения некогерентных колебаний с исключением в объеме картриджа 4 зон с малой подвижностью реагирующих веществ в результате интерференции волн, на блоке топливных элементов 5 смонтированы средства для подачи воздуха 7, блок топливных элементов 5 выполнен с возможностью соединения с магистралью или баллоном с водородом через порт 8 и с возможностью обеспечения образования электроэнергии и воды в результате соединения водорода с кислородом, блок топливных элементов 5 соединён с расходным баком 1 для подачи в него образовавшейся воды и с буферной аккумуляторной батареей 9, выполненной с возможностью накопления образовавшейся электроэнергии, буферная аккумуляторная батарея 9 соединена с преобразователем электроэнергии 10, выполненным с возможностью преобразования электроэнергии до необходимых для потребителя электроэнергией 11 параметров, соединенного с преобразователем электроэнергии 10, при этом тепловая энергия выделяемая в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла в картридже 4, а также в результате соединения водорода с кислородом в блоке топливных элементов 5 отводится для обогрева потребителей тепловой энергии.

Картридж 4 с гидридом магния может быть также выполнен в виде трубчатой или пористой структуры, при этом внутри картриджа 4 смонтирован волновод, выполненный из магния или из магниевых сплавов.

Тепловая энергия, выделяемая в результате реакции воды или антифриза с гидридом магния в картридже 4, а также в результате соединения водорода с кислородом в блоке топливных элементов 5 отводится посредством обдува или омывания охлаждающей жидкостью.

В качестве потребителей тепловой энергии используются расходный бак 1, блок топливных элементов 5, буферная аккумуляторная батарея 9, салон электромобиля (на фигурах не показано) или внутреннее помещение локального объема, например, туристическая палатка. Необходимость нагрева (поддержание оптимальной температуры) расходного бака 1, блока топливных элементов 5, буферной аккумуляторной батарея 9 возникает, как правило, в зимнее время (при отрицательной температуре) для обеспечения бесперебойной работы резервного источника.

В одном из частных случаев реализации резервный источник электро- и теплоэнергии может быть оснащен электрическим нагревателем (на фигурах не показано), питающимся от буферной аккумуляторной батареи или внешней сети и выполненным с возможностью обеспечения запуска резервного источника при отрицательных температурных условиях окружающей среды.

В качестве антифриза может быть использован этиловый спирт или смесь этилового спирта с водой, либо смесь воды с глицерином, этиленгликолем или диэтеленгликолем.

Резервный источник электро- и теплоэнергии используют следующим образом.

Предлагаемую конструкцию изобретения устанавливают в необходимом месте для электро- и/или теплоснабжения, например, в электромобиле для обеспечения его электропитанием и/или обогрева салона или в туристической палатке для обогрева туристов (в зимнее время) и/или обеспечения питания энергопотребителей. В случае необходимости, в целях экономии расходования гидрида магния в картриджах 4 к блоку топливных элементов 5 подключают через порт 8 магистраль подачи водорода из баллона (при его наличии).

После чего резервный источник электро- и теплоэнергии запускают, для чего воду или антифриз из расходного бака 1 подают через порт 3 в картриджи 4 с гидридом магния. В результате реакции воды (антифриза) с гидридом магния выделенный водород направляется в блок топливных элементов 5, в который средствами подачи воздуха 7 подается кислород. В результате реакции водорода с кислородом в блоке топливных элементов 5 выделяется электро- и теплоэнергия. Электроэнергия подается в буферную аккумуляторную батарею 9 для ее накопления и последующей подачи потребителю 11 через преобразователь электроэнергии 10.

Теплоэнергия в результате реакций в блоке топливных элементов 5 и реакторе 2 отводится посредством обдува для подачи потребителям теплоэнергии.

Наличие в конструкции изобретения механических вибраторов, выполненных возможностью обеспечения излучения некогерентных колебаний с исключением в объеме картриджа 4 зон с малой подвижностью реагирующих веществ в результате интерференции волн, обеспечивает повышение эффективности процесса реакции и применение конструкции изобретения в целом.

Наличие не менее двух картриджей 4 в реакторе 2, выполненных с возможностью поочередной раздельной работы (например, при разряженном первом картридже в автоматическом режиме в работу включается второй), а также возможность обогрева составных элементов устройства (расходный бак 1, блок топливных элементов 5, буферная аккумуляторная батарея 9) обеспечивает бесперебойность работы резервного источника, что повышает эффективность использования конструкции изобретения. Причем благодаря возможности раздельной работы картриджей 4 в случае необходимости (например, при наличии только одного картриджа) реакция с выделением водорода может протекать и на одном картридже 4, что также повышает универсальность применения резервного источника.

Возможность использования резервного источника электро- и теплоэнергии благодаря своей конструкции для обеспечения аварийного питания в электротранспорте, в туристических (военных) экспедициях повышает универсальность его применения.

Оснащение резервного источника электро- и теплоэнергии электрическим нагревателем, питающимся от буферной аккумуляторной батареи 9 или внешней сети и выполненным с возможностью обеспечения запуска резервного источника при отрицательных температурных условиях окружающей среды, также повышает универсальность применения резервного источника.

Конструкция опытного образца предлагаемого изобретения, изготовленного автором, была опробована при реальных случаях, когда было необходимо аварийное электро- и теплоснабжение.

Пример достижения технического результата.

В сентябре 2023 года в г. Москва автором был изготовлен опытный образец конструкции резервного источника электро- и теплоэнергии в соответствии с предлагаемым изобретением со сменными картриджами с гидридом магния. Причем два картриджа были выполнены с порошкообразным гидридом магния, два картриджа - с гидридом магния в виде трубчатой структуры и два картриджа - с гидридом магния в виде пористой структуры. В расходный бак заливалась в одном из случае применения - вода, в другом - антифриз.

В период применения изготовленного опытного образца в качестве резервного источника питания с сентября 2023 г. по декабрь 2023 г. было установлено:

повышение универсальности применения в сравнении с прототипом - на 25-38%;

повышение эффективности применения в сравнении с прототипом - на 30-46 %.

Таким образом, технический результат заявленного изобретения, заключающийся в обеспечении возможности создания резервного источника электро- и теплоэнергии, обеспечивающего повышение универсальности его применения, а также повышение эффективности его использования, достигается за счет предлагаемой конструкции изобретения.

Изобретение относится к резервному источнику электро- и теплоэнергии. Источник содержит корпус, выполненный в виде мобильного переносного контейнера, внутри корпуса смонтированы расходный бак с водой или антифризом, соединенный с реактором, содержащим порт, к которому подключены с возможностью раздельной поочередной работы сменные картриджи с гидридом металла. С двух сторон картриджа смонтированы механические вибраторы для создания некогерентных колебаний с исключением в объеме картриджа зон с малой подвижностью реагирующих веществ в результате интерференции волн. На блоке топливных элементов смонтированы средства для подачи воздуха, блок топливных элементов выполнен с возможностью соединения через порт с магистралью подачи водорода или баллоном с водородом и с возможностью обеспечения образования электроэнергии и воды в результате соединения водорода с кислородом воздуха, блок топливных элементов соединен с расходным баком для подачи в него образовавшейся воды и с буферной аккумуляторной батареей, выполненной с возможностью накопления образовавшейся электроэнергии, буферная аккумуляторная батарея соединена с преобразователем электроэнергии, выполненным с возможностью преобразования электроэнергии до необходимых для потребителя электроэнергии параметров. Техническим результатом является повышение универсальности и эффективности источника электро- и теплоэнергии. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Резервный источник электро- и теплоэнергии, содержащий корпус, выполненный в виде мобильного переносного контейнера, внутри корпуса смонтированы расходный бак с водой или антифризом, соединенный с реактором, содержащим порт, к которому подключены с возможностью раздельной поочередной работы сменные картриджи с гидридом металла, причем порт смонтирован с возможностью подвода к картриджам воды или антифриза из расходного бака и отвода водорода, выделившегося в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла, к блоку топливных элементов, при этом с двух сторон картриджа с гидридом металла смонтированы механические вибраторы, выполненные с возможностью обеспечения излучения некогерентных колебаний с исключением в объеме картриджа зон с малой подвижностью реагирующих веществ в результате интерференции волн, на блоке топливных элементов смонтированы средства для подачи воздуха, блок топливных элементов выполнен с возможностью соединения через порт с магистралью подачи водорода или баллоном с водородом и с возможностью обеспечения образования электроэнергии и воды в результате соединения водорода с кислородом воздуха, блок топливных элементов соединен с расходным баком для подачи в него образовавшейся воды и с буферной аккумуляторной батареей, выполненной с возможностью накопления образовавшейся электроэнергии, буферная аккумуляторная батарея соединена с преобразователем электроэнергии, выполненным с возможностью преобразования электроэнергии до необходимых для потребителя электроэнергии параметров, при этом тепловая энергия, выделяемая в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла в картридже, а также в результате соединения водорода с кислородом в блоке топливных элементов, отводится для обогрева потребителей тепловой энергии.

2. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что мобильный переносной контейнер выполнен с габаритными размерами, обеспечивающими размещение его в электротранспорте.

3. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что мобильный переносной контейнер выполнен с габаритными размерами, обеспечивающими размещение его в дорожной сумке или походном рюкзаке.

4. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гидрида металла в картриджах использован гидрид магния.

5. Резервный источник по п. 4, отличающийся тем, что гидрид магния выполнен порошкообразным, либо в виде трубчатой или пористой структуры.

6. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что внутри картриджа с гидридом металла смонтирован волновод, выполненный из магния или из магниевых сплавов.

7. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что тепловая энергия, выделяемая в результате реакции воды или антифриза с гидридом металла в картридже, а также в результате соединения водорода с кислородом в блоке топливных элементов, отводится посредством обдува или омывания охлаждающей жидкостью.

8. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что оснащен электрическим нагревателем, питающимся от буферной аккумуляторной батареи или внешней сети и выполненным с возможностью обеспечения запуска резервного источника при отрицательных температурных условиях окружающей среды.

9. Резервный источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве антифриза используется этиловый спирт или смесь этилового спирта с водой, либо смесь воды с глицерином, этиленгликолем или диэтиленгликолем.