КОМПАКТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НА ХИМИЧЕСКОМ ИСТОЧНИКЕ ВОДОРОДА И БАТАРЕЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области водородной энергетики, а именно к автономным источникам питания на батареях топливных элементов, работающих на водороде, получаемом в результате химической реакции металлогидрида с водой.
Уровень техники
В заявке US 2005/0238573 А1 описан способ получения водорода при гидролизе металлоборгидридных соединений каталитическим методом. Для повышения удельного выхода водорода в качестве добавки к реакционной смеси применяют кислоту. Этот способ труднореализуем из-за сложности организации перемешивания реагирующих компонентов и опасности образования в реакционной зоне паров кислоты, которые при попадании в другие части энергетической системы приводят к выходу системы из строя. Кроме того, особую опасность представляют токсичные продукты реакции.
Известен способ получения водорода путем гидролиза алюмогидрида лития LiAlH4 при температуре 100°С, описанный в патенте US 5702491 А. К недостаткам этого способа можно отнести высокую стоимость алюмогидрида лития из-за сложности его получения и опасность из-за образования в результате гидролиза гидроксида лития LiOH, являющегося токсичным.
В патенте US 5514353 описан способ получения водорода при гидролизе гидрида лития LiH. Недостатком этого способа является сложность контроля химической реакции из-за высокой химической активности гидрида лития.
Принятая за наиболее близкий аналог модель химического источника водорода и источника питания на его основе описана в патенте US 10322932 B2. Модель включает в себя химический источник водорода, редукционный клапан и батарею топливных элементов. Химический источник водорода состоит из реакционной камеры, бака с водой, микронасоса, клапана аварийного сброса давления, датчика давления, нагревателя и контроллера. Алгоритм работы химического источника водорода заключается в следующем: подача воды в реакционную камеру производится под управлением микроконтроллера; вода вступает в реакцию с порошком металлогидрида (гидрида магния), в результате чего выделяется водород. Процесс гидролиза сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому реакционная камера помещена в вакуумную теплоизоляцию. При низких температурах теплопроводность такой изоляции низкая, а при температурах близких к 300°С и выше - высокая за счет излучения. Для первоначального запуска реакции используют нагреватель, который превращает подаваемую в реакционную камеру воду в пар. Контроллер регулирует подачу воды в реактор так, чтобы поддерживать заданное давление водорода на выходе из реакционной камеры в соответствии с уровнем нагрузки на батарее топливных элементов. В конструкции химического источника водорода принципиальное значение имеет устройство реакционной камеры и требования к порошку гидрида магния. Авторы модели рассматривают два варианта организации реакционной камеры: с осевым вводом пара и осевым первоначальным нагревом, и с торцевым вводом пара и первоначальным химическим нагревом при запуске реакции гидролиза. Используют порошок гидрида магния со средним размером частиц 5 мкм. Для предотвращения выноса частиц порошка с потоком водорода и закупоривание трубок подачи пара в реакционной камере используют фильтры из углеродного волокна.
Можно отметить, что осевое расположение ввода водяного пара формирует вытянутую зону реакции с большой площадью поверхности и объемом. При запуске реакции с постоянным потоком подачи воды, зона реакции будет перегрета, ввиду ее расположения в середине порошковой засыпки, обладающей плохой теплопроводностью. При продвижении зоны реакции к периферии реакционной камеры, такая конфигурация приведет к чрезмерному охлаждению зоны реакции ввиду кратного уменьшения плотности выделения энергии на единицу объема. Следовательно, устойчивое протекание реакции при низких температурах прекратится.
Таким образом, в источнике питания на основе химического генератора водорода и топливных элементов, рассматриваемом в качестве наиболее близкого аналога, можно выделить несколько недостатков, объясняемых тем, что предложенная конструкция реакционной камеры не позволяет обеспечить управляемость химического источника водорода и равномерность его работы.
Во-первых, плохая управляемость генерацией водорода подразумевает изменение давлений водорода в газовой системе в широких пределах, что, отчасти, может быть скомпенсировано высокой прочностью всех конструктивных элементов: реакционной камеры, емкости для воды и соединений газовой системы генератора водорода. Требование высокой прочности, как следствие, приводит к существенному росту весовых характеристик отдельных компонентов и снижению удельных показателей отношения запаса энергии к массе устройства, а значит, усложняет использование предлагаемого генератора водорода для мобильных приложений.
Во-вторых, в системе не предусмотрено устройств позволяющих сглаживать скачки давления в газовой системе, неизбежно возникающие при изменениях электрической нагрузки в цепи потребления из-за рассогласования уровней генерации потока водорода в химическом источнике водорода и потребления водорода батареей топливных элементов.
Кроме того, авторы патента не предусмотрели устройства, позволяющего нейтрализовать сбрасываемый в окружающую среду водород при достижении критических уровней давления водорода в газовой системе источника питания, что создает потенциальную угрозу воспламенения и взрыва водорода при эксплуатации устройства в закрытых, ограниченных стенками пространствах.
Стоит обратить внимание еще на то, что в патенте, рассматриваемом как наиболее близкий аналог, ничего не говорится о взаимном расположении основных узлов источника питания и организации оптимального теплорегулирования.
Задачи, на решение которых направлена заявленная полезная модель, заключаются в снижении и сглаживании пульсаций давления в газовой системе устройства, устранении угрозы воспламенения сбрасываемых излишков водорода в исключительных критических режимах работы источника питания, снижении веса устройства, достижении максимальной компактности устройства и организации оптимального теплорегулирования.
Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается: во-первых, в снижении уровня давления в газовой системе устройства и, как следствие, в снижении требований к прочности используемых емкостей, следовательно, в уменьшении толщины стенок емкостей и снижении общего веса устройства; во-вторых, в сглаживании пульсаций давления водорода в газовой системе устройства; в-третьих, в существенном сокращении аварийных сбросов водорода в окружающую среду и повышении отношения общей вырабатываемой электрической энергии к массе устройства благодаря наличию в составе источника питания управляемой электронной нагрузки, позволяющей проводить постепенный вывод на номинальный рабочий режим химический источник водорода и батареи топливных элементов, потребляющей водород; в-четвертых, в устранении угрозы взрыва водорода в критических ситуациях благодаря наличию в составе устройства каталитического дожигателя водорода; в-пятых, в оптимальном расположении основных компонентов устройства, что позволяет достичь компактности и эффективной организации теплорегулирования источника питания. Все вышеперечисленное обуславливает возможность применения данной модели в качестве бортового источника питания мобильных средств, где важны малый вес, компактность, надежность, высокое отношение вырабатываемой электрической энергии к массе.
Раскрытие полезной модели
Для достижения указанного технического результата компактный источник питания на химическом источнике водорода и батарее топливных элементов (Фиг. 2,3,4) собран на шасси из карбонового профиля (Фиг. 2, поз. 10) и перфорированного основания и заключен в корпус (Фиг. 2, поз. 1,2) имеющий стенки из облегченных сэндвич панелей, на одной из которых расположена панель подключения (Фиг. 3, поз 16), на которой расположены клавиши переключения (Фиг. 2, поз. 7, 8, 9), информационный дисплей (Фиг. 2, поз. 3) и разъемы для подключения потребителей электропитания (Фиг. 2, поз. 4,5,6). Все узлы дынного устройства имеют единую конструктивную связь, обеспечиваемую элементами шасси, профилей и сэндвич панелями корпуса с использованием винтовых, болтовых, клепочных элементов, пайки и сварки. Конструкция устройства обладает необходимой прочностью, но, стойкостью к ударам, ускорениям и перегрузкам. Функционально все основные компоненты компактного источника питания связаны в единую газовую и электрическую системы (Фиг. 1), рабочей функцией которых является обеспечение генерации водорода с требуемой номинальной скоростью и преобразование водорода в электрический ток для обеспечения электропитания полезной нагрузки. Алгоритм работы микропроцессорной системы управления раскрыт в патенте авторов RU 2707357C1 «Способ и система управления химическим источником водорода» и заключается в подаче сигналов с блока управления на микронасос, охлаждающий вентилятор, реле и электронные ключи электронной нагрузки на основе параметров, считываемых с термопар и датчиков давления газа, напряжения и тока. Таким образом, реализовано обратно пропорциональное регулирование подачи воды в картридж в зависимости от параметра, характеризующего поток водорода, а также регулирование и поддержании температуры картриджа химического источника водорода на заданном уровне. Для достижения компактности расположения основных узлов использована двухуровневая компоновка (Фиг. 3,4,5): батарея топливных элементов (Фиг. 3, поз. 11), вентилятор охлаждения (Фиг. 3, поз. 15), блок управляемой нагрузки (Фиг. 4, поз. 25), аккумулятор (Фиг. 4, поз. 27) - расположены в нижнем уровне; блок управления (Фиг. 3, поз. 17), емкость для воды (Фиг. 3, поз. 12), микронасос (Фиг. 4, поз. 21), компенсатор скачков давления (Фиг. 4, поз. 20), каталитический дожигатель (Фиг. 5, поз. 36), термостат с картриджем (Фиг. 3, поз. 13) расположены в верхнем уровне. Такое расположение основных узлов обусловлено следующими причинами: удобством доступа и обслуживания, необходимостью расположения центра тяжести устройства в его нижней части для обеспечения устойчивости и оптимальностью организации теплорегулирования. Сменный картридж (химический источник водорода) представляет собой тонкостенную жестяную емкость в форме цилиндра с соотношением наружного диаметра к наружной высоте, находящимся в диапазоне от 0,3 до 1, устанавливаемую вертикально в термостат (Фиг. 7), состоящий из корпуса (Фиг. 7, поз. 1), имеющего слой теплоизоляции на основе аэрогеля (Фиг. 7, поз. 2), три термопары (Фиг. 7, поз. 7) и вентилятор (Фиг. 7, поз. 4), управляемый от контроллера по сигналам с термопар и крышки (Фиг. 7, поз. 5). Более подробно конструкция химического источника водорода описана в патенте авторов RU2708001C1 «Способ генерации водорода и конструкция химического источника водорода».
Емкость для воды, картридж (химический источник водорода), устройство стабилизации давления, батарея топливных элементов, каталитический дожигатель водорода подключены последовательно посредством трубок и газовых соединений (Фиг. 5, поз. 35) в единую газовую систему (Фиг. 3,4,5).
Микропроцессорный блок управления (Фиг. 3, поз. 17), датчики температуры (Фиг. 3, поз. 14), давления газа (Фиг. 3, поз. 18) и воды (Фиг. 5, поз. 34), батарея топливных элементов (Фиг. 3, поз. 11), аккумулятор (Фиг. 4, поз. 27), управляемая электронная нагрузка (Фиг. 4, поз. 25), выводы миканитового нагревателя (Фиг. 4, поз. 24,32), вентилятор охлаждения (Фиг. 4, поз. 26), термопары (Фиг. 3, поз. 14), микронасос (Фиг. 4, поз. 21), дисплей (Фиг. 2, поз. 3), разъемы (Фиг. 2, поз. 4,5,6) и переключатели (Фиг. 2, поз. 7,8,9) на панели управления (Фиг. 3, поз. 17) имеют электрическое соединение. Доступ к узлам верхнего уровня открывается при снятии крышки корпуса устройства (Фиг. 2, поз. 1) при ее наличии. Некоторые модели устройства могут ее не предусматривать. В устройстве со снятой крышкой (Фиг. 3, 4, 5) можно сменить отработанный картридж (химический источник водорода), долить воду, проверить целостность эластичной мембраны в устройстве стабилизации давления, проверить герметичность трубок и соединений газовой системы, также открывается доступ к элементам системы управления.
Основным тепловыделяющим элементом верхнего уровня конструкции является картридж (химический источник водорода). Его тепловыделение составляет от 150 до 200% от электрической полезной мощности, вырабатываемой батареей топливных элементов. Метод охлаждения основан на естественной или принудительной конвенции. Горячий воздух, поднимающийся от термостата, уходит вверх, в вентиляционные отверстия в верхней панели крышки корпуса. В некоторых случаях для усиления охлаждения включается вентилятор (Фиг. 5, поз. 26), расположенный на нижнем уровне конструкции. Вентилятор засасывает воздух из нижнего уровня и гонит его в корпус термостата (Фиг. 7). Горячий термостат (Фиг. 3 поз. 13) отделен от емкостей с водой (Фиг. 3 поз. 12) и компенсатора скачков давления газа (Фиг. 4 поз. 20) устройства стабилизации давления с помощью легкой дюралевой перегородки (Фиг. 5, поз. 33).
На нижнем уровне расположены два тепловыделяющих компонента: батарея топливных элементов (Фиг. 3 поз. 11) и управляемая электронная нагрузка (Фиг. 4 поз. 25). Тепловыделение батареи топливных элементов (БТЭ) составляет 120-125% от ее полезной электрической мощности. На управляемой электронной нагрузке выделяется до 50% тепловой мощности от оптимальной электрической мощности источника питания в момент запуска источника питания в работу, а также в моменты резкого изменения мощности отбираемой полезной нагрузкой пользователя. Охлаждение БТЭ и управляемой электронной нагрузки осуществляется с помощью принудительной конвенции путем обдува вентиляторами. Воздухообмен осуществляется за счет отверстий в боковых панелях корпуса и не влияет на теплорегуляцию узлов верхнего уровня. Таким образом, за счет двухуровневого расположения основных узлов источника питания достигается максимальная компактность устройства и эффективность охлаждения и терморегуляции.
Газовая система источника питания содержит компенсатор скачков давления, призванный сглаживать пульсации давления водорода в системе, поддерживая его в диапазоне 0,030 - 0,055 МПа, сводить к минимуму необходимость стравливания водорода в окружающую среду в исключительных случаях длительных трендов повышения скорости генерации водорода.
Компенсатор скачков давления (Фиг. 6) содержит тонкостенную полимерную емкость (Фиг. 6а, поз. 1) с завинчивающейся крышкой (Фиг. 6а, поз. 2) с герметичным штуцером (Фиг. 6а, поз. 3) в крышке. Штуцер оканчивается с наружной стороны резьбовым соединением для подключения газового фитинга (Фиг. 6а, поз. 4), а с внутренней стороны имеет посадочное цилиндрическое место с канавкой (Фиг. 6а, поз. 5) для уплотнительного резинового кольца, фиксирующего эластичную надувающуюся мембрану (Фиг. 6а, поз. 6). Эластичная резиновая мембрана является слабопроницаемой для водорода. На оболочке полимерного сосуда находятся два клапана: предохранительный (выпускной) клапан (Фиг. 6а, поз. 7), открывающийся при повышении давления внутри полимерного сосуда выше 0,04 МПа (Фиг. 6б) и впускной клапан (Фиг. 6а поз. 8), открывающийся при понижении давления в полимерном сосуде ниже атмосферного (Фиг. 6г).
Для согласованной работы химического источника водорода и батареи топливных элементов алгоритм управления подбирает оптимальный расход воды для получения на выходе номинальной величины потока водорода. Давление водорода в газовой системе в среднем остается в диапазоне 0,030-0,055 МПа, тем не менее, периодически возникают спонтанные увеличения и уменьшения скорости генерации водорода, и давление в газовой системе портативного источника питания изменяется. В этом случае, стабилизатор давления эффективно компенсирует эти изменения давления: при резком падении давления в газовой магистрали эластичная мембрана сжимается (Фиг. 6г) и в течении нескольких десятков секунд способна поддерживать требуемый поток водорода и необходимое минимальное давление, при резком повышении давления мембрана увеличивается в размерах (Фиг. 6б) и способствует меньшей скорости роста давления в системе до критических значений, таким образом предоставляя некий запас времени для коррекции подачи воды микронасосом в порошковую засыпку картриджа. Более подробно способ работы компенсатора скачков давления описан в патенте авторов RU2733200C1 «Компактная система стабилизации давления водорода в портативном источнике питания на основе химического реактора».
Краткое описание рисунков:
На Фиг. 1 представлена схема компактного источника питания на химическом источнике водорода, отражающая все основные компоненты устройства и их функциональную взаимосвязь.
Фиг. 2 демонстрирует внешний вид компактного источника питания со стороны панели подключения. Цифрами обозначены:
1. Крышка
2. Основание
3. Дисплей информационный
4. USВ-разъем (напряжение 5В, ток до 2А)
5. Разъем (напряжение 12В, ток до 5А)
6. Разъем (напряжение 12В, ток до 5А)
7. Клавиша включения блока питания
8. Клавиша пуска/останова реакции
9. Клавиша включения батареи топливных элементов.
Фиг. 3 демонстрирует вид компактного источника питания со стороны панели подключения без крышки и основания. Цифрами обозначены:
10. Шасси
11. Батарея топливных элементов
12. Емкость с водой
13. Термостат с топливным картриджем
14. Датчики температуры топливного картриджа
15. Короб с вентилятором охлаждения топливного картриджа
16. Панель подключения.
На Фиг. 4 изображен компактный источник питания со стороны термостата без крышки и основания. Цифрами обозначены:
17.Микропроцессорный блок управления
18. Датчик давления газа
19. Вентилятор охлаждения платы управления
20. Компенсатор скачков давления газа
21.Микронасос
22. Трубопровод подачи воды в картридж
23. Крышка термостата
24. Выводы питания миканитового нагревателя
25. Блок управляемой нагрузки
26. Вентилятор охлаждения
27. Аккумулятор
28. Плата определения мощности
29. Преобразователь напряжения
30. Клапан аварийного сброса давления газа
31. Контроллер батареи топливных элементов
32. Вывод датчика температуры миканитового нагревателя.
На Фиг. 5 изображен компактный источник питания со стороны панели подключения без крышки и основания. Цифрами обозначены:
33. Дюралевая перегородка
34. Датчик давления воды
35. Трубопровод выхода газа
36. Дожигатель.
На Фиг. 6 (а, б, в, г) изображен компенсатор скачков давления в газовой системе источника и принцип его работы. Цифрами на Фиг. 6 (а) отмечены:
1. Тонкостенный полимерный сосуд;
2. Завинчивающаяся крышка;
3. Герметичный штуцер;
4. Газовый резьбовой фитинг;
5. Посадочное цилиндрическое место с канавкой для резинового кольца;
6. Эластичная мембрана;
7. Выпускной (предохранительный) клапан;
8. Впускной клапан.
Фиг. 6 (а): Эластичная надувающаяся мембрана (поз. 6) находится в сжатом состоянии.
Фиг. 6 (б): С ростом давления в газовой магистрали эластичная мембрана внутри полимерной емкости раздувается и сжимает находящийся внутри емкости воздух так, что давление внутри емкости и внутри мембраны уравнивается.
Фиг. 6 (в): При повышении давления в газовой магистрали до 0,04 МПа, срабатывает предохранительный клапан и происходит стравливание воздуха, находящегося в емкости. Давление внутри мембраны становится выше, чем давление в емкости, и надувающаяся мембрана занимает практически весь объем полимерной емкости.
Фиг. 6 (г): При резком падении давления в газовой магистрали мембрана сжимается и в течение нескольких десятков секунд способна поддерживать требуемый поток водорода в газовой магистрали источника питания.
Фиг. 7 демонстрирует схему термостата, обеспечивающего теплоизоляцию и терморегулирование картриджа. Цифрами отмечены:
1. Стальной цилиндр
2. Теплоизоляция
3. Воздушный зазор
4. Вентилятор охлаждения
5. Теплоизоляционная крышка
6. Отверстия для воздухообмена
7. Термопары.