Изобретение относится к электроэнергетике и экологии и предназначено для использования на городском автомобильном транспорте с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), например автобусах, для снижения в несколько раз количества токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу с отработанными газами, повышения устойчивости работы ДВС на бедных топливных смесях, а также замены кислотно-свинцовых аккумуляторов и существенного улучшения атмосферной среды в городе.
Целью изобретения является создание относительно малогабаритной КЭУ для использования на городском автомобильном транспорте вместо кислотно-свинцовых аккумуляторов, способной длительное время работать в электролизном режиме, существенно улучшать экологические показатели ДВС и повышать удобство эксплуатации автомобиля.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в комбинированной электрохимической установке, состоящей из электролизной и топливной частей, содержащей набранные в блоки пористые пластинчатые электрохимические ячейки с твердым смачиваемым водой электролитом и вспомогательные водородные камеры с гидридом металла, в которой электроды ячеек контактируют одновременно с воздухом, водородом и твердым электролитом, а в режиме электролиза воды электроэнергия поступает от внешнего источника постоянного тока, соединенного с КЭУ автоматической системой коммутации, предусмотрены следующие отличия:
каждые две электрохимические ячейки в блоке установлены так, что образуют сдвоенный электрохимический элемент, у которого водородные электроды обращены друг к другу, электрически соединены параллельно и с помощью уплотняемой фторопласто- вой рамочной прокладки образуют дополнительную водородную камеру;
кислородные электроды в каждом элементе электрически соединены параллельно, а между соседними элементами в каждом блоке обращены друг к другу и установлены так, что образуют полости для прохождения воздушного потока, направляемого в систему питания автомобиля;
водородные камеры и воздушные полости соединены между собой через электролизный гидравлический зазор и фторопластовые перфорированные перегородки, залитые водой, через которые поступает водород из водородной камеры в воздушную полость при электро- лизе, продуваемую вэрывобезопасным потоком воздуха;
водородные камеры соединены с газопроводом выпускных газов, обедненных по кислороду до взрывобёзопасных концентраций с водородом, через аварийный гидравлический затвор, уровень которого выше уровня электролизного гидравлического затвора;
автоматическая система коммутации при недостаточном собственном тепловы0 делении КЭУ в зимних условиях включает омические нагреватели и поддерживает температуру не ниже -Н°С всех соприкасающихся с водой ее узлов.
Отличительные признаки предлагаемой
5 установки приведены в табл. 1.
На фиг. 1 дан вертикальный поперечный разрез КЭУ; на фиг. 2 - сечение по А-А; на фиг. 3 - сдвоенный электрохимический элемент, вертикальный поперечный разрез; на
0 фиг, 4 - схема включения КЭУ в систему питания автомобиля; на фиг. 5 - схема автоматической системы коммутации КЭУ.
Комбинированная (электролизно-топ- ливная) электрохимическая установка 1 со5 стоит из нижней электролизной части и верхней топливной части 2, расположенных . в коррозионностойком корпусе 3, четырех блоков 4, каждый из которых набран из двенадцати последовательно соединенных
0 сдвоенных электрохимических элементов 5, основной водородной камеры 6, заполненной гидридом металла 7 и соединенной перфорированными гибкими металлическими трубками 8 с дополнительными водородны5 ми камерами 9, Камера 9 каждого сдвоенного элемента. 5 сообщается через водный электролизный гидрозатвор 10 и перфорированную фтороиластовую пластину 11 с воздушными полостями 12, вентилируемы0 ми потоком воздуха 13, прошедшим через фильтр 14 и направляемым в карбюратор 15 и далее в ДВС 16 во время его работы.
Минимальный уровень гидрозатвора 10, пропускающего водород из водородных
5 камер 6 и 9 в воздушные полости 12, постоянно поддерживается с помощью поплавкового клапана 17, через который вода 18 поступает самотеком из водного бака 19 в нижнюю электролизную часть КЭУ 1.
0 Сдвоенный электрохимический элемент 5 состоит из двух пластинчатых электрохимических ячеек 20 и 21 квадратного сечения (или прямоугольного) с твердым пористым гидрофильным электролитом 22, водород5 ные пористые электроды которых 23 обращены друг к другу и отделены уплотняемой фторопластовой рамочной прокладкой 24. Трубка 8 из коррозионностойкого металла уплотняется в прокладке 24 фторопластовой конической втулкой 25, поджимаемый
тайкой 26 через упругий элемент 27 из кор- розионностбйких металлов. В качестве гидрида металла 7 может быть использован дисперсный лантанид никеля LaNIsc насыпным весом (массой) 3,2 г/см3, стойкий в парах воды и обладающий избирательной способностью к поглощению водорода из смеси газов. В нижней части ячеек 20 и 21 предусмотрены отверстия 28, через котог рые водород проходит в воздушную полость 12 через электролизный гидрозатвор 10 и перфорированную фтороплаетову го пластину 11 . Пористые электроды водородные 23 и кислородные 22 в каждом сдвоенном элементе 5 электрически соединены параллельно, а в каждом блоке 4 - поёледовательно с помощью, тоководов соответственно 31 и 32. Гидрйдметалла 7 постоянно упруго поджатс помощью подвижной пластины 33 и пружин 34, упирающихся в крышку 35. На одном из кислородных электродов 29 укреплены наклонные перфорированные экраны 30 (в каждом блоке 4) из коррозионностойкого материала, предназначенные для распределения и направления воздушного потока 13 вдоль поверхностей кислородных электродов 29. .. /.: -. --; -: :- -;-:-;: : : ; ;:: :;;.- .Сдвоенные элёктррхймичесййе элементы 5 изолированы от корпуса 3 фторопласте вой прокладкой 36. закрывающей днище 37, и собраны в блоки 4 с помощью рамочных стяжек Зб;с упругими нажимными устройствами 39 из коррозионностойких металлов. Каждый блок имеет токовыводные полюса
()40й41. . ; ; ;
.Основная водородная камера 6 с.помощью штуцера 42 соединена с аварийным гидрозатвором 44, уровень которого установлен выше уровня электролизного гидрозатвора 10 и который соединен с газопроводом выпускных газов 45, обедненных по кислороду до взрывобезопасных с водородом концентраций.: На входе потока воздуха 13 установлен пластинчатый распределитель 47 воздушного потока, а на выходе парогазовой смеси (возд. + На + 02 + НаО) установлен конден- сатор 48 паров воды, охлаждаемый через стенку корпуса Зс помощью Теплопроводных ребер 49 внешним потоком воздуха от вентилятора автомобиля. На всех соприка- ющихся с водой узлах установки предусмотрены электронагреватели 50 для создания условий незамерзаемрсти КЭУ 1 при недостаточности собственного тепловыделения, особенно во время стоянки с выключенным ДВС в зимних условиях.
Водный бак 19 оснащен магнитоэлектрическим измерителем 51 уровня воды 18.
КЭУ 1 высокоамперными проводниками
соединен через автоматический коммутатор
52 с электрической системой 53 автомобиля
и, следовательно с генератором постоянного тока 54, стартером 55 и электронагревателями RSO - Rse, включаемыми при необходимости с помощью автоматических выключателей Ви и Bi2 в зимних условиях.
U - Автоматический коммутатор 52 состоит
из управляемых выключателей Si, 82,63,
В/1, Bs, Be. Вю и автоматических выключате- лей IB, Be, 89. . ; . ; :,:..;,: i При включенном ДВС 16 постоянный
ток:.от генератора 54 с номинальньтм напряжением 24 В поступает через замкнутые вы-; ключатели Вю, Bs, Bs. Be, Bj. 64 в КЭУ / 1 для элёктролизб вода и генерирования , водорода со стехирй/ютрическим количеством кислорода, при этом управляемые выключатели Bi и И22 разомкнуты.
ПриостановяеннойДВС16КЭУ 1 рабо- тает в топливном режиме генераций постоянного тока, который при номинальном
напряжении 24 В поступает через замкнутые выключатели 82. В, .В, Вв, Вэ, Вю в электрическую систему 53 автомобиля, при этом управляемые выключатели Вз. Й4, Bs и Be разомкнуты. ...
При стартерном пуске ДВС 16 с номи- кальным напряжением 12 8 ток поступает
от параллельно включенных блоков 4 через замкнутые выключатели Вз, В, Bs, Be, Bg, В18. при этом выключатели Bi, 82, Вт, Вю
разомкнуты./; V Предложенной комбинированной электрохимической установкой пользуются следующим образом. ;
Пуск в работу. После проверки правильности монтажа узлов установки ее продувают технически чистым азотом (с концентрацией не ниже 97 об,%) и бак 19
заполняют дистиллированной водой 18 до заданного уровня. Первый запуск ДВС 16 проводят от внешнего пускового устройства (аккумулятора или пусковика). При запуске от собственного стартера 55 разнополюсные клеммы внешнего источника соединяют высокоампе-рными проводами с соответствующими полюсными токовыво-;: дами 40 и 41 К$У 1, выключатели В1, 82, В и В8 размыкают, В9 замыкают, остальные
выключатели коммутатора 52 должны быть замкнуты..
При первом пуск ДВС 16 работает только на бензрвоздушной смеси. После накопления достаточного количества водорода в основной водородной камере 6 последую-, щие пуски ДВС 16 ничем не отличаются от стартерных пусков двигателя от собственного аккумулятора.
Установка работает следующим образом. После запуска ДВС 16 автоматически включается генератор постоянного тока 54 и автоматические выключатели 87 и 88 замыкают. При этом КЭУ 1 начинает работать в режиме электролиза воды. Электрический ток при напряжении на каждом элементе около 2 В поступает на электроды 23 и 29, где происходят электрохимические обратимые реакции:
на водородном
электроде 2НаО+ 2ея Н2 + 2(ОН),
в твердом
электролите((OH);.
на кислородном
электроде 2(.502 + + 25.
При электролизе эти реакции смещены вправо, а при генерации тока смещены влево при напряжении околоО,5-1 В, когда КЭУ 1 начинает работать при остановленном ДВС 16 или выключенном генераторе 54.
При эксплуатации установки периодически доливают воду в бак 19, не допуская снижения уровня воды ниже предельного значения, после которого управляемые выключатели BS и Be отключают установку, а при дальнейшем уменьшении уровня воды срабатывает аварийный гидрозатвор 44, предотвращающий образование взрывоопасной газовой смеси.
При необходимости полного использования номинальной мощности ДВС КЭУ 1 отключают путем размыкания выключателей Bs и Be.
Предложенная электрохимическая установка обладает рядом преимуществ перед прототипом, отмеченных в табл. 2.
Предлагаемая установка предназначена для решения экологических и социальных задач, связанных с оздоровлением атмосферной среды в городе, уменьшением .выбросов окиси углерода в десятки раз и углеводородов в несколько раз, заменой кислотно-свинцовых аккумуляторов на воздушно-водородные, а также с повышением удобств при обслуживании автомобиля.
По предложенному техническому решению следует разработать технический и рабочий проекты, изготовить опытный образец КЭУ, провести его натурные ресурсные испытания на автомобиле, оценить затраты при серийном изготовлении КЭУ, провести
технологические исследования для разработки более совершенных электрохимических элементов с целью дальнейшего уменьшения массогабаритных характеристик и повышения ресурса работы КЭУ,
Формула изобретения
Комбинированная электрохимическая установка транспортного средства, состоящая из электролизной и топливной частей, содержащая набранные в блоки пористые
пластинчатые электрохимические ячейки с твердым электролитом, смачиваемым водой, и вспбмогательные водородные камеры, заполненные гидридом металла, автоматическую систему, коммутации, соединенную с внешним источником постоянного тока, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и уменьшения ее размеров, каждые две электрохимические ячейки в блоке установлены с
образованием сдвоенного электрохимического элемента, у которого водородные электроды обращены друг к другу, электрически соединены параллельно и с помощью уплотняемой фторопластовой рамочной
прокладки образуют дополнительную водородную камеру, кислородные электроды в каждом элементе электрически соединены параллельно, а между соседними элементами в каждом блоке обращены друг к другу и
установлены с образованием полости для прохождения воздушного потока, используемого в системе питания транспортного 1 средства, водородная камера и воздушная полость соединены между собой через электролизный гидравлический затвор и фтороп- ластовую перфорированную перегородку, залитую водой, пропускающую при электролизе воды водород в воздушную полость, вентилируемую потоком воздуха, а водородные
камеры снабжены аварийным гидравлическим затвором с высотой столба, большей высоты столба электролизного гидравлического затвора, для соединения с газопроводом выпускных газов транспортного
средства.
Таблица 1
Каждые две электрохимические ячейки в бло установлены так, что образуют сдвоенный электрический элемент у которого водородные электроды обращены друг к другу, электрически соединены параллельно и с поно- щыо уплотняемой фторо пластовой рамочной прокладки образуют дополнительную водородную камеру;
кислородные электроды в каждом элемент электрически соединены параллельно, между соседними элементами в каждом блоке обращены друг к другу и установлены так(что образуют полости для прохождения воздушного потока, направляемого- в систему питания автомобиля;
водородные камеры и воздушные полости соединены между собой через электрот.. . лизный гидравлический затвор и фторо- . пластовую перфорированную перегородку, залитую водой, через которые поступает водород из водородной камеры в воздушную полость, продуваемую вэрывобезопасным потоком воздуха при электролизе.
водородные камеры соединены с газопрово дом выпускных газов через аварийный гидравлический затвор, ; уровень которого выше уровня электролизного гидравлического затравора;
автоматическая система коммутации при недостаточном собственном тепловыделении КЭУ в зимних условиях включает омические нагреватели и поддерживает температуру не ниже + Iе С всех соприкачакщихся с водой ее узлов.
,
Новое свойство присутствует в техническом решении, предложенном автором.
Обеспечивают постоянную вентиляцию воздушных полостей и взры- вобеэопасность КЭУ при ее работе а режиме электролиза.
Препятствует- проникновению воздухе в водородную камеру и обеспечи-. .8ает вэрывоопас- ность КЭУ при работе ее в режиме генерации электрического тока.
Обеспечивает вэры- вобезопасность КЭУ в ситуациях, связанных с аварийной утечкой воды
Автоматически включает и поддерживает заданную температуру
Нет нового свойства
Конструкция КЭУ
Сложная
Вз рыво защищенност ь
Не извест- Обеспечена на конструкцией КЭУ
Морозостойкость
Потребляемая мощность источника питания постоянным током, кВт
Напряжение источника питания, В
Напряжение КЭУ, В:
при электролизе
при генерировании тока . при стартерном пуске Плотность тока, А/см2:
при электролизе
при генерировании тока
при стартерном пуске Емкость КЭУ, А ч
Габаритные размеры, (ммхммхмм)
Расход воды при электр., кг/ч
Масса, кг
Таблица. 2
енная
ечена рукКЭУ
Разработка сдвоенных электрохимических элементов, использование низких плотностей токов на электродах и температур до-6°. С при давлении водорода 0,1 НПа
Разработка конструкции с электролизным и аварийным гидрозатвором, вентилируемой потоком воздуха при электролизе, создающим концентрацию с водородом меньшую нижнего предела детонационной концентрации.
Обеспечена автоматическим включением электронагревателей, поддерживающих температуру всех соприкасающихся с водой частей КЭУ не ниже +1° С при недостаточном соб ственном тепловыделении в зимних условиях
Расчетные показатели КЗУ.для авто- модиля с ДВС мощностью 72 л.с. (S3 кВт). Показателей для прототипа не обнаружено.
2k
2k
12
О,. 0,035 0,25 300
550x(t80x350
не более 0,73
40-50
Фиг. 4.
