УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE FOR GENERATING DIRECT CURRENT ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к разработке новых эффективных химических источников тока, обеспечивающих непосредственное преобразование окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, минуя малоэффективный (идущий с большими потерями) процесс горения.
Область применения - объекты аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, нефтяной промышленности и других отраслей, где существует потребность в автономных источниках энергии.
Известны твердотельные оксидные топливные элементы трубчатой топологии. Описание конструкции топливного элемента (ТЭ) опубликовано в [6], а также SOFC, выпускаемые серийно фирмой "Siemens Westinghouse". Данные устройства представляют собой ТЭ с твердым электролитом. Электрическая энергия в ТЭ получается при соединении водорода с кислородом напрямую в результате электрохимической реакции. Продуктом реакции, кроме электрической энергии, является также перегретая вода при температуре более 250°C, которая в виде пара используется для привода микротурбинного генератора. КПД ТЭ по вырабатываемой электрической энергии составляет 40%. Остальная часть энергии, получаемая в результате окислительной реакции, передается в окружающую среду в виде тепла. Частично вырабатываемое тепло за счет микротурбинного генератора превращается в электрическую энергию, что повышает КПД ТЭ на 5-10%.
Таким образом, более 50% энергии топлива бесполезно рассеивается в атмосфере.
Известны термоэлектрические преобразователи-генераторы (ТЭП) [1…5], содержащие полупроводник на основе сульфида самария, в них генерируется термо-ЭДС при равномерном нагреве всего элемента. Описание устройства приведено в [5]. В сравнении с термоэлектрическими преобразователями (генераторами), работающими на основе использования широко известного термоэлектрического эффекта Зеебека [7], SmS-термоэлектрогенераторы имеют два принципиальных преимущества, которые обеспечивают конструктивную возможность и энергетическую целесообразность в создании предлагаемого устройства, т.е. топливного элемента вкупе с термоэлектрическим преобразователем (ТЭТЭП):
1) отпадает потребность в обеспечении разности температурных потенциалов в элементах термоэлектрического генератора (термопары), что обеспечивает (принципиально упрощает) конструктивное решение ТЭТЭПа;
2) КПД SmS-термоэлектрогенератора в 4 раза выше, чем у традиционных (зеебековских) термоэлектрогенераторов. По результатам экспериментальных исследований [1…5] среднее значение КПД SmS-термоэлектрогенератора - 40%, в то время как у традиционного КПД не превышает 10%.
Устройств, обеспечивающих совместное функционирование топливных элементов и термоэлектропреобразователей, не обнаружено.
Целью изобретения является повышение КПД по электрической составляющей при протекании окислительно-восстановительной реакции в топливном элементе.
Цель достигается тем, что создано устройство для получения электрической энергии постоянного тока, представляющее собой комбинированную конструкцию топливного элемента и термоэлектропреобразователя.
Для этого предложено использовать ТЭП, как «рубашку» к ТЭ. В соответствии с конструктивными решениями, представленными в [1…5], допускается изготовление SmS-термоэлектрогенератора в виде плоской трехслойной конструкции. Предложено эту конструкцию выполнить в виде разрезной трубы (т.е. свернуть плоскую трехслойную конструкцию в виде трубки), которая плотно одевается на ТЭ, чем обеспечивается надежная электрическая связь между ТЭ и ТЭП и при протекании окислительного процесса внутри ТЭ большая часть выделяемой тепловой энергии передается ТЭП и благодаря электрической связи между ТЭ и ТЭП при замыкании этой цепи на потребитель обеспечивается возникновение в комбинированном устройстве суммарной электродвижущей силы (фиг.1).
Как уже отмечалось, КПД твердотельного оксидного ТЭ типа SOFC трубчатой топологии производства компании «Siemens Westinghouse Power Corporation» составляет 40% (см. также [6]). Следовательно, остаточное тепло после реакции окисления в ТЭ составит 60% от всего количества энергии, выделенной в результате этой реакции.
В настоящей конструкции на топливный элемент надета «рубашка» из SmS-термоэлектрогенератора, поглощающая это избыточное тепло, при этом часть теплоты (40% согласно исследований [1…5]) превращается в электроэнергию, что обеспечивает повышение общего КПД комбинированной системы на 60×0,4=24%.
Таким образом, общий КПД комбинированной системы (ТЭТЭПа) по электрической мощности составляет 64%.
Следует отметить, что оставшиеся 36% тепловой энергии в виде выбросов горячих водяных паров из топливных элементов могут быть направлены в микротурбинный генератор для выработки электрической энергии. При этом общий КПД топливного элемента может повыситься еще на 5…10%.
Базовые элементы предлагаемого устройства хорошо сочетаются по рабочим температурным режимам и величине генерируемого напряжения постоянного тока. Согласно [7] большинство реакций в отдельной ячейке ТЭ обеспечивает ЭДС с напряжением около 1 В, а рекомендуемый температурный режим ТЭ - более 250°C. В соответствии с исследованиями [1…4] разработчиков ТЭПа на основе SmS рабочий интервал температур +130-500°C, а генерируемое постоянное напряжение 0,5-1,5 В. Эти два обстоятельства подтверждают техническую возможность совместной комбинации ТЭ и ТЭП выбранных конструкций.
На фиг.1 представлено устройство в виде комбинации известного топливного элемента трубчатой топологии конструкции «Siemens Westinghouse Power Corporation» (элемент I) с модернизированным SmS-термоэлектрогенератором в виде «рубашки» (элемент II), одеваемой на внешний корпус ТЭ. Электрический контакт образуется за счет плотного надевания ТЭП на ТЭ. Элемент I содержит канал 1 для подачи воздуха (кислорода), катод 2, канал 3 для подачи топлива (водорода), твердый электролит 4, анод 5. Элемент II содержит катод 6, полупроводник на основе SmS 7, анод 8.
Признаки новизны следующие.
1) В результате комбинации ТЭ+ТЭП получаем устройство с новыми свойствами, а именно с гораздо более высоким КПД по вырабатываемой электроэнергии при протекании окислительной реакции одного и того же количества топлива в ТЭ (каждый элемент, составляющий установку, в отдельности имеет КПД 40%, а комбинированная установка - 64%).
2) В комбинированной установке обеспечивается электрическая связь между элементами.
3) ТЭП изготавливается в виде пустотелой трехслойной трубы, в отличие от известных прототипов, которые изготавливаются или радиальной, или плоской формы (см. [1…5]).
4) Особенностью механического соединения элементов между собой является то, что ТЭП одевается на ТЭ в виде концентрической «рубашки».
Устройство работает следующим образом.
В элементе I (ТЭ) происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую за счет взаимодействия топлива, подаваемого в канал 3, с окислителем, подаваемого из канала 1. В результате на электродах топливного элемента I (катоде 2 и аноде 5) происходит накопление электрического потенциала.
При этом большая часть энергии электрохимического горения (примерно 60%) превращается в тепло. Эта тепловая энергия поглощается элементом II, плотно облегающим элемент I. Ввиду того, что элемент II (ТЭП) представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из катода 6, полупроводника 7 на основе SmS и анода 8, в нем под воздействием тепла также возникает собственная эдс.
Плотное соединение элементов обеспечивает надежную электрическую связь. При этом возможно последовательное соединение - анод элемента I соединяется с катодом элемента II (фиг.2) или параллельное соединение - анод элемента I соединяется с анодом элемента II (фиг.3).
ЛИТЕРАТУРА
1. М.М.Казанин, В.В.Каминский, С.М.Соловьев. Аномальная термоэдс в моносульфиде самария. ЖТФ, 2000, т.70, в.5, стр.136-138.
2. В.В.Каминский, С.М.Соловьев. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS. ФТТ, 2001, т.43, в.3; стр.423-426.
3. В.В.Каминский, А.В.Голубков, Л.Н.Васильев. «Дефектные ионы самария и эффект генерации электродвижущей силы в SmS». ФТТ, 2002, т.44, вып.8, с.1501-1505.
4. В.В.Каминский, Л.Н.Васильев, М.В.Романова, С.М.Соловьев. Механизм возникновения электродвижущей силы при нагревании монокристаллов SmS. ФТТ, 2001, том 43, в.6, стр.997-999.
5. Патент РФ 2303834, H01L 37/00. Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора / В.В.Каминский, А.В.Голубков, М.М.Казанин, И.В.Павлов. С.М.Соловьев, Н.В.Шаренкова. - Опубл. в БИ №21, 2007.
6. Патент РФ 2332754 C1, Н01М 8/12. В.П.Коржов, С.И.Бредихин, В.В.Кведер и др. Трубчатый твердооксидный топливный элемент с металлической опорой. Опубл. в БИ №24, 2008.
7. Кромпстон Т. Источники тока. М., 1985, 1986.