ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно, к средствам получения электрической энергии с использованием низкотемпературных источников тепловой энергии. В основу технического решения положены электрохимические генераторы тока концентрационного типа с гидрофобными каталитически активными электродами с ионопроводящим слоем электролита, в том числе, полимерного, мембранного типа, с косвенным преобразованием (точнее, использованием) тепловой энергии в электрическую. Полезная модель может быть реализована в качестве автономного источника электрической энергии в различных отраслях народного хозяйства, с возможностью использования произвольных (в том числе, природных) низкотемпературных источников тепловой энергии при обеспечении градиента температурного режима эксплуатации заданного диапазона.
Ограниченность природных топливно-энергетических ресурсов и негативные экологические последствия их использования для окружающей среды в глобальных масштабах приводят к необходимости исследования возможности использования еще мало применяемых в большой энергетике, так называемых, нетрадиционных источников энергии и способов ее преобразования в электрическую.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является энергетическая установка на основе электрохимического генератора, включающая: герметичный корпус, который выполнен по типу «тепловой трубы», оснащен размещенным в зоне испарения жидким теплоносителем (одновременно являющимся и рабочим телом) и капиллярного типа средством рециркуляции конденсата теплоносителя из зоны его конденсации в зону испарения; средства подвода и отвода теплоты, размещенные в зонах испарения и конденсации, соответственно; электрохимический генератор, размещенный в полости корпуса,
содержащий, по меньшей мере, один функциональный блок концентрационного типа, состоящий из двух (оснащенных токоотводами для электрической связи с потребителем электрической энергии) пористых гидрофобных каталитически активных электродов, между которыми размещен электролит на основе ионопроницаемой мембраны; а также ионообразующее рабочее тело, заполняющее пространство корпуса (тепловой трубы) свободное от паровой фазы теплоносителя с возможностью взаимодействия, преимущественно, со всей рабочей поверхностью, одного, ионизирующего рабочее тело, электрода упомянутого функционального блока (RU, №2136086, С1, 1999 г.).
К недостаткам данного известного из уровня техники технического решения следует отнести: сложность его конструкции и ограниченная область использования в связи с необходимостью обеспечения его функционирования исключительно при использовании высокотемпературных источников тепловой энергии; а также ограниченную эффективную (рабочую) площадь функционального электродного блока, по отношению к общим габаритным параметрам установки в целом, что ограничивает ее мощность при заданных габаритных параметрах.
В основу заявленного технического решения была положена задача расширения функциональных возможностей и области использования при упрощении конструкции энергоустановки, а также обеспечение возможности функционирования устройства при использовании низкотемпературных источников тепловой энергии, температура которых регламентируется исключительно температурой кипения (парообразования) жидкого теплоносителя, не являющегося «рабочим телом».
Техническим результатом является повышение мощности устройства за счет увеличения эффективной (рабочей) площади функционального электродного блока в рамках одинаковых с прототипом габаритных параметров установки в целом (вследствие возможности размещения электродов функционального блока как в области испарения, так и в области конденсации теплоносителя), а также упрощении его конструкции.
Поставленная задача решается посредством того, что в энергетической установке на основе электрохимического генератора включающей: герметичный
корпус, который выполнен по типу «тепловой трубы», оснащен размещенным в зоне испарения жидким теплоносителем и капиллярного типа средством рециркуляции конденсата теплоносителя из зоны его конденсации в зону испарения; средства подвода и отвода теплоты, размещенные в зонах испарения и конденсации, соответственно; электрохимический генератор, размещенный в полости корпуса, содержащий, по меньшей мере, один функциональный блок концентрационного типа, состоящий из двух (оснащенных токоотводами для электрической связи с потребителем электрической энергии) пористых гидрофобных каталитически активных электродов, между которыми размещен слой электролита на основе ионопроницаемой мембраны; а также ионообразующее рабочее тело, заполняющее пространство корпуса (тепловой трубы) свободное от паровой фазы теплоносителя с возможностью взаимодействия, преимущественно, со всей рабочей поверхностью, одного, ионизирующего рабочее тело, электрода упомянутого функционального блока, согласно полезной модели, в качестве ионообразующего рабочего тела используется газовая среда, посредством которой обеспечивается образование резкой границы раздела между этой газовой средой и паровой фазой теплоносителя в процессе функционирования устройства, а функциональный блок размещен в полости корпуса как в области испарения, так и в области конденсации теплоносителя и имеет такое конструктивное исполнение и пространственное расположение его составляющих, которое исключает контакт, по меньшей мере, части рабочей поверхности размещенного со стороны рабочего тела ионообразующего электрода с паровой фазой теплоносителя, при этом объем газовой среды рабочего тела при рабочем давлении выбирают из условия обеспечения расположения упомянутой границы раздела «газ - пар», преимущественно, в средней части области отвода тепла, преимущественно, со стороны второго, восстанавливающего ионизированное рабочее тело, электрода при функционировании установки в диапазоне заданного градиента температурного режима эксплуатации.
Оптимально электрохимический генератор выполнять в виде батареи конструктивно однотипных функциональных блоков, которые электрически соединены между собой в последовательную электрическую цепь, при этом
общая конструкция батареи сформирована с возможностью обеспечения функционирования каждого отдельного блока в системе батареи в идентичных условиях, соответствующих вышеописанным условиям функционирования единичного функционального блока.
Целесообразно объем жидкого теплоносителя выбирать из условия обеспечения полного насыщения им капиллярной структуры средства рециркуляции.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
Фиг.1 - общая схема энергетической установки с электрохимическим генератором в виде одного функционального блока с концентрично расположенными цилиндрическими электродами, продольный разрез (средства подвода и отвода тепла условно не показаны).
Фиг.2 - структура гидрофобного электрода электрохимического генератора тока, используемого в установке.
На фиг.1 и фиг.2 позициями обозначены следующие элементы:
1 - герметичный корпус;
2 - область подвода тепла (зона испарения);
3 - область отвода тепла (зона конденсации);
4 - теплоноситель (жидкая фаза);
5 - фаза паровая теплоносителя;
6 - газ рабочий;
7 - граница раздела «пар - газ»;
8 - средство рециркуляции конденсата капиллярного типа (фитиль с капиллярной структурой);
9 - блок функциональный электрохимического генератора тока;
10 - электрод (ионизирующий);
11 - электрод (нейтрализующий ионизированную газовую среду /рабочее тело/);
12 - мембрана электролитная;
13 - токоотводы;
14 - потребитель электрической энергии (нагрузка);
15 - металлическая сетка;
16 - слой фторопласта с крупнопористой структурой (несмачивающийся слой);
17 - слой фторопласта с мелкопористой структурой (частично смачивающийся слой);
18 - катализатор.
Энергетическая установка на основе электрохимического генератора тока включает: герметичный корпус 1, который выполнен по типу «тепловой трубы», оснащен размещенным в зоне испарения (области 2 подвода тепла) жидким теплоносителем 4 (например, фреоном, аммиаком, водой) и капиллярного типа (например, на основе асбеста) средством 8 рециркуляции конденсата теплоносителя 4 из зоны его конденсации (области 3 отвода тепла) в зону испарения; средства подвода и отвода теплоты, размещенные в зонах испарения и конденсации, соответственно (в графических материалах условно не показаны), которые могут быть выполнены любым известным из уровня техники образом; электрохимический генератор, размещенный в полости корпуса, содержащий, по меньшей мере, один функциональный блок 9 концентрационного типа, состоящий из двух (оснащенных токовыводами 13 для электрической связи с потребителем 14 электрической энергии) пористых гидрофобных каталитически активных электродов 10 и 11, между которыми размещен слой электролита на основе ионопроницаемой мембраны 12 (например, мелкопористой асбестовой структуры, пропитанной жидким электролитом); а также ионообразующее рабочее тело, заполняющее пространство корпуса 1 (тепловой трубы) свободное от паровой фазы теплоносителя 4 с возможностью взаимодействия, преимущественно, со всей рабочей поверхностью, одного, ионизирующего рабочее тело, электрода 10 упомянутого функционального блока 9. В качестве ионообразующего рабочего тела используется газовая среда (газ 6), посредством которой обеспечивается образование резкой границы 7 раздела между этой газовой средой и паровой фазой теплоносителя 4 в процессе функционирования устройства. Функциональный блок 9 размещен в полости корпуса 1 как в области испарения, так и в области конденсации теплоносителя 4 и имеет такое конструктивное исполнение и пространственное расположение его составляющих, которое исключает контакт, по меньшей мере, части рабочей поверхности размещенного
со стороны рабочего тела ионообразующего электрода 10 с паровой фазой теплоносителя 4. При этом объем газа 6 рабочего тела при рабочем давлении выбирают из условия обеспечения расположения упомянутой границы 7 раздела «газ-пар», преимущественно, в средней части области 3 отвода тепла, преимущественно, со стороны второго, восстанавливающего ионизированное рабочее тело, электрода 11 при функционировании установки в диапазоне заданного градиента температурного режима эксплуатации. На фиг.1 стрелками показано направление перемещения паро-газового потока в процессе функционирования устройства, реализующего способ.
Для целей увеличения мощности энергетической установки электрохимический генератор может быть выполнен в виде батареи конструктивно однотипных функциональных блоков 9, которые электрически соединены между собой и с потребителем 14 энергии в последовательную электрическую цепь. При этом общая конструкция батареи сформирована с возможностью обеспечения функционирования каждого отдельного блока 9 в системе батареи в идентичных условиях, соответствующих вышеописанным условиям функционирования единичного функционального блока 9.
Оптимально объем жидкого теплоносителя выбирать из условия обеспечения полного насыщения этим теплоносителем капиллярной структуры средства 8 его рециркуляции (с целью обеспечения условия неразрывности жидкой фазы в процессе рециркуляции).
На фиг.2 представлена структура электродной подложки пористого гидрофобного каталитически активного электрода 10 или 11, который может быть использован в заявленном техническом решении.
Электродная подложка включает: металлическую сетку 15 (выполненную, например, из никеля); слой 16 фторопласта с крупнопористой структурой (несмачивающийся слой); слой 17 фторопласта с мелкопористой структурой (частично смачивающийся слой) и катализатором 18 (выполненным, например, из серебра, платины или палладия).
Существует, например, следующий способ создания в диффузионных гидрофобных электродах развитой границы газ-жидкость. В используемом в этом случае электроде с двухслойной структурой, слой со стороны рабочего газа
выполняют из гидрофобного пористого материала, который не смачивается и поэтому не пропитывается электролитом. В качестве такого материала, как правило, используют фторопласт-4 (тефлон). Слой, обращенный к электролиту, должен частично смачиваться. Для этого порошок катализатора тщательно перемешивают с порошком фторопласта, применяемым, обычно, в виде суспензии. Смесь наносят на металлическую сетку, функционально являющуюся частью токоотводов для подсоединения потребителя электрической энергии (нагрузки). При сравнительно небольшом содержании фторопласта (до 20%) зерна катализатора, пронизанные мелкими порами, полностью смачиваются и пропитываются электролитом, создавая систему мелких пор. Система крупных пор состоит из частиц фторопласта, так как последние гораздо больше частиц катализатора. Фторопласт не смачивается электролитом и крупные поры остаются заполненными газом. Пересечение мелких и крупных пор создает развитую границу рабочий газ-электролит-катализатор.
При работе такого частично гидрофобного (несмачиваемого) электрода не требуется избыточного давления рабочего газа. Это очень удобно, например, когда в электрохимическом генераторе используется окружающая газовая среда (воздух) при атмосферном давлении.
Работа установки с физико-химической точки зрения заключается в следующем.
Жидкий теплоноситель 4 в области 2 подвода тепла (зоне испарения) будет интенсивно испаряться, получая тепловую энергию от нагревателя через стенки корпуса 1. Образующийся паровой поток (паровая фаза 5 теплоносителя 4), ввиду разницы давлений насыщенного пара в зоне испарения и зоне конденсации, будет направленно перемещаться в сторону охлаждаемого участка корпуса 1 и там конденсироваться, отдавая тепло в области 3 отвода тепла (зоне конденсации). Конденсат возвращается в зону испарения по капиллярным каналам средства 8 рециркуляции конденсата. Рабочий газ 6, находящийся в полости корпуса 1, потоком пара будет оттесняться в зону конденсации, где устанавливается резкая граница 7 раздела «пар-газ», преимущественно, в средней части области 3 отвода тепла. При этом внутренняя рабочая поверхность ионизирующего электрода 10 будет находиться под давлением газа, равным давлению пара в
паровом канале. Внешняя поверхность нейтрализующего электрода 11 на большей ее части давления со стороны рабочего газа 6 не испытывает. Таким образом, формируются условия для функционирования концентрационного газового электрохимического генератора тока (функционального блока 9) за счет создания разницы концентраций рабочего газа 6 (газовой среды) со стороны соответствующих электродов.
При отсутствии в цепи потребителя 14 электрической энергии (электрической нагрузки) граница 7 раздела «пар-газ» устанавливается в средней части области отвода тепла, преимущественно, со стороны нейтрализующего ионизированный рабочий газ 6 электрода 11. При подключении нагрузки химически прореагировавший рабочий газ 6 через пористые электроды 10 и 11 будет поступать в паровой канал, давление газа 6 со стороны ионообразующего электрода 10 уменьшится и граница 7 раздела «пар-газ» переместится с увеличением площади области 3 отвода тепла (зоны конденсации). При этом, соответственно, увеличится эффективная (действующая) площадь функционального (электродного) блока 9 концентрационного газового электрохимического элемента (функционального блока 9). Таким образом формируется зависимость между потреблением электрической энергии и тепловой. Чем больше ток, отбираемый нагрузкой, тем большее количество тепла передается из области 2 подвода тепла в область 3 отвода тепла. Полезная работа совершается на этапе движения (вследствие диффузии) рабочего газа 6 через ионопроводящую мембрану (электролит) за счет разности концентраций рабочего газа со стороны соответствующих электродов. Необходимая разность концентраций рабочего газа 6 со стороны внутренней поверхности электрода 10 (исходная область расположения рабочего газа 6) и со стороны внешней поверхности электрода 11 (область парового канала) поддерживается вследствие переноса прореагировавшего на электрохимическом генераторе рабочего газа 6 в исходную область его расположения посредством кинетической составляющей энергии парового потока (паровой фазы 5 теплоносителя). Скоростью указанного переноса, а соответственно, и скоростью прохода рабочего газа через электрохимический генератор тока можно управлять (например, посредством изменения эффективной площади области 2 подвода тепла или посредством
изменения градиента /перепада/ температур между областями 2 и 3 подвода и отвода тепла, соответственно), что расширяет эксплуатационные возможности установки и, соответственно, область ее использования. В качестве теплоносителя оптимально использовать жидкость с низкой температурой кипения (парообразования), например, фреон, аммиак, воду. При использовании жидкого электролита со спиртовой добавкой функционирование установки для реализации способа обеспечивается и в области отрицательных температур. Главное, чтобы при данной отрицательной температуре обеспечивалось кипение (парообразование) жидкого теплоносителя 4 и отсутствовало замерзание электролита в мембране 12.
Конструктивное исполнение установки может быть реализовано и иным, отличным от показанного на фиг.1 образом. Например, корпус 1 может быть выполнен с прямоугольной формой поперечного сечения. В этом случае, электроды 10 и 11 функционального блока целесообразно выполнять плоскими и использовать в качестве электрохимического генератора батарею из множества последовательно соединенных между собой в электрическую цепь функциональных блоков 9. При последовательном соединении функциональных блоков напряжение в электрохимическом генераторе возрастет, а сила тока останется прежней.
Увеличение ресурса работы устройства и повышение его надежности обеспечивается также отсутствием в заявленном техническом решении специального энергопотребляющего устройства для обратной подачи жидкой фазы (конденсата) теплоносителя с собственным ограничением по ресурсу и надежности. Уменьшение собственного энергопотребления связано с принципом работы средства обратной подачи жидкой фазы в область испарения, не требующем внешнего источника энергии и основанном на явлении поверхностного натяжения и неразрывности жидкости.
Учитывая общеизвестную способность «тепловых труб» обеспечивать концентрацию энергии теплового потока за счет обеспечения различия эффективных площадей областей 2 и 3 подвода и отвода тепла, соответственно, а также использование в качестве теплоносителя 4 функционально независимого от используемого рабочего тела (рабочего газа 6) физического тела, появляется
возможность применения в качестве средств подвода и отвода тепла различных, в том числе природных, источников тепловой энергии с низкой плотностью теплового потока.
При работе концентрационного электрохимического генератора тока на водороде (пористая мембрана пропитана электролитом в виде 2-38% раствора серной кислоты, катализатор - платина, палладий) на электродах протекают следующие химические реакции:
+
2
2
- положительный электрод - 2Н+2е→H↑+2НО;
2
2
+
- отрицательный электрод - H-2е+2НO→2Н.
При работе концентрационного электрохимического генератора тока на кислороде (пористая мембрана пропитана электролитом в виде 20% раствора NaOH, катализатор - серебро) на электродах протекают следующие химические реакции:
2
2
-
- положительный электрод - О+2НO+4е→4OН;
-
2
2
- отрицательный электрод - 4OН-4е→O+2НО.
Таким образом, заявленное техническое решение может быть использовано в области электроэнергетики, а именно, при реализации способов получения электрической энергии посредством использования низкотемпературных источников тепловой энергии. В основу изобретения положено использование электрохимических генераторов тока концентрационного типа с гидрофобными каталитически активными электродами и ионопроводящим слоем электролита, в том числе, полимерного, мембранного типа, с косвенным преобразованием (точнее, использованием) энергии теплового потока в электрическую. Энергетическая установка может быть реализована в качестве автономного источника электрической энергии в различных отраслях народного хозяйства, с возможностью использования произвольных (в том числе, природных) низкотемпературных источников тепловой энергии при обеспечении градиента температурного режима эксплуатации заданного диапазона.
В качестве дополнительного преимущества заявленного технического решения следует также отметить дешевизну и доступность используемых конструкционных материалов и реагентов для изготовления установки, что повышает рентабельность данного предложения. Предложенное техническое
решение предусматривает промышленную реализацию экологически чистой и мало металлоемкой электрогенерирующей модели, которая может занять одну из основных позиций в современной энергетике.