Комбинированный источник тока

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока. Предлагаемая полезная модель представляет собой комбинированный источник тока, включающий соединенные между собой кислород-водородный электрохимический генератор и гидронный химический источник тока. Выпускной штуцер водорода гидронного источника тока соединен с входным штуцером водорода кислород-водородного электрохимического генератора, на водородной линии между гидронным химическим источником тока и кислород-водородным электрохимическим генератором размещен фильтр тонкой очистки водорода. Комбинированный источник электрического тока снабжен преобразователем-стабилизатором напряжения. Один из токовыводов гидронного химического источника тока соединен с токовыводом противоположной полярности кислород-водородного электрохимического генератора, комбинированный источник тока, при этом второй токовывод гидронного химического источника тока соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора, а второй токовывод кислород-водородного электрохимического генератора соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора. Предлагаемая полезная модель позволяет получить стабильный источник тока, характеризующийся высокими энергомассовыми характеристиками, автоматическим регулированием режима работы, высокой пожаро- и взрывобезопасностью и экологической чистотой.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока.

Известен кислородно-(воздушно-)-водородный электрохимический генератор (О₂-Н₂ ЭХГ) [1, 2]. Одним из главных его недостатков является сложность хранения водорода, необходимого для работы такого генератора. Эта проблема особенно актуальна для аэрокосмической сферы использования O ₂-H₂ ЭГХ. Если водород хранить при высоком давлении в баллонах - энергомассовые характеристики О₂-Н ₂ ЭХГ сильно понижаются. Хранение водорода в сжиженном, состоянии - требует сложных криогенных устройств. Оба способа хранения небезопасны.

Известен гидронный химический источник тока [3, 4]. Недостатком гидронного химического источника тока является то, что выделяющийся при его работе водород не используется для выработки электроэнергии.

Целью полезной модели является создание безопасного источника тока с высокими энергомассовыми характеристиками и КПД.

Поставленная цель достигается тем, что комбинированный источник тока, включает кислород-водородный электрохимический генератор и гидронный химический источник тока, при этом выпускной штуцер для водорода гидронного источника тока соединен с входным штуцером водорода кислород-водородного электрохимического генератора, на водородной линии между гидронным химическим источником тока и кислород-водородным электрохимическим генератором размещен фильтр, комбинированный источник тока снабжен преобразователем-стабилизатором напряжения, при этом один из двух токовыводов гидронного химического источника тока соединен с токовыводом противоположной полярности кислород-водородного электрохимического генератора, а второй токовывод гидронного химического источника тока соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора, а второй токовывод кислород-водородного электрохимического генератора соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора.

На фиг.1 представлена схема комбинированного источника тока

Кобминированный источник тока содержит гидронный химический источник тока (1), кислород-водородный электрохимический генератор (2), гидронный химический источник тока снабжен выпускным штуцером для водорода (3) и соединительной с электрохимическим генератором водородной линией (4). На водородной линии размещен фильтр тонкой очистки водорода (5). Электрохимический генератор снабжен входным штуцером для подачи водорода (6) и входным штуцером для подачи воздуха (кислорода) (7). Гидронный химический источник тока (1), одним из своих токовыводов соединен с токовыводом кислород-водородного электрохимического генератора (2) противоположной полярности, а вторым токовыводом соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора напряжения (8). Второй токовывод кислород-водородного электрохимического генератора (2), соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя стабилизатора напряжения (8).

Комбинированный источник тока работает следующим образом.

Для начала работы к токовыводам гидронного химического источника тока (ХИТ) (1) подключают стартовое электрическое сопротивление (9). При подключении стартового сопротивления в гидронном ХИТ начинается выделение водорода. Выделяющийся водород через выпускной штуцер (3) по водородной линии (4), через фильтр (5) и входной штуцер (6) подается в кислород-водородный электрохимический генератор, где по достижению заданного давления начинается электрохимическая реакция, и на его токовыводах появляется электрическое напряжение. Далее к токовыводам преобразователя-стабилизатора напряжения (8) подключают внешнюю нагрузку, а стартовое сопротивление (9) отключают.

После подключения нагрузки к комбинированному источнику тока и отключения стартового электрического сопротивления от токовыводов гидронного ХИТ выработка водорода в нем продолжается, если в электрической цепи комбинированного источника тока протекает ток нагрузки, причем скорость выделения водорода меняется в соответствии с величиной электрического сопротивления нагрузки: при увеличении сопротивления скорость выделения водорода снижается, при уменьшении сопротивления - повышается.

В результате электрохимической реакции в гидронном ХИТ на его токовыводах появляется электрическое напряжение. При режимах работы гидронного ХИТ на токах меньших, чем его ток короткого замыкания, его электрическое напряжение суммируется с электрическим напряжением кислород-водородного электрохимического генератора. При режимах работы гидронного ХИТ на токах больших, чем его ток короткого замыкания, он начинает работать в режиме электролизера, на катоде которого выделяется водород из воды. В этом случае гидронный ХИТ потребляет недостающую для выработки требуемого количества водорода энергию от кислород-водородного электрохимического генератора (становится для него дополнительной электрической нагрузкой).

Режимы работы гидронного ХИТ и кислород-водородного электрохимического генератора автоматически регулируются величиной электрического сопротивления в цепи, включая и электрическое сопротивление нагрузки, величина которой регулирует силу тока обоих источников. Ток, проходящий через оба источника, задает режим работы для гидронного ХИТ и определяет количество выделяемого в нем водорода.

При этом, количество выделяемого в гидронном ХИТ водорода будет соответствовать количеству водорода, которое необходимо для работы кислород-водородного электрохимического генератора. Последнее будет обеспечиваться в том случае, если соблюдается следующее соотношение в количестве элементов батарей гидронного ХИТ и кислород-водородного электрохимического генератора и площадей электродов в них:

, где

j_тэ - разрядная плотность тока топливного элемента;

S_тэ - площадь электрода кислород-водородного топливного элемента;

n_гидр - число элементов гидронного ХИТ;

S_гидр - площадь электрода элемента гидронного ХИТ;

j_гидр - плотность тока разряда гидронного ХИТ;

j_кор - плотность тока коррозии анода гидронного ХИТ.

Необходимое округление до целого значения n_гидр осуществляют только в большую сторону.

Наличие преобразователя-стабилизатора в цепи обеспечивает стабильность выходного напряжения в заданном диапазоне токов.

Предлагаемая полезная модель позволяет получить стабильный источник тока, характеризующийся высокими энергомассовыми характеристиками, автоматическим регулированием режима работы, высокой пожаро- и взрывобезопасностью и экологической чистотой.

Источники:

1. С.А.Подшивалов, Э.И.Иванов, Л.И.Муратов и др. Энергетические установки космических аппаратов.; Под общ. Ред. Д.Д.Невяровского и B.C.Викторова. - М.: Энергоиздат, 1981, 223 с.

2. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы. - М.: Энергоиздат, 1982. - 448 с., ил.

3. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова вып.22(306), 2005 г. Денисова М.Ш., Длугоборский Ю.М., Фриск В.А. Комбинированные электрогазогенерирующие установки на основе химического источника тока гидронного типа для подводных технических средств.

4. Доманский В.К. Применение гидронных химических источников тока, предназначенных для энергоустановок подводных аппаратов, в системе защиты человека от переохлаждения в морской воде: автореферат дис. кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2000.

Комбинированный источник тока включает кислород-водородный электрохимический генератор и гидронный химический источник тока, выпускной штуцер водорода гидронного источника тока, соединенный водородной линией с входным штуцером кислород-водородного электрохимического генератора, фильтр тонкой очистки водорода, размещенный на водородной линии, преобразователь-стабилизатор напряжения, при этом один из токовыводов гидронного химического источника тока соединен с токовыводом противоположной полярности кислород-водородного электрохимического генератора, второй токовывод гидронного химического источника тока соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора, второй токовывод кислород-водородного электрохимического генератора соединен с токовводом одноименной полярности преобразователя-стабилизатора.