RU2378742C1 - Устройство для получения электрической энергии постоянного тока - Google Patents
Устройство для получения электрической энергии постоянного тока Download PDFInfo
- Publication number
- RU2378742C1 RU2378742C1 RU2008145349/09A RU2008145349A RU2378742C1 RU 2378742 C1 RU2378742 C1 RU 2378742C1 RU 2008145349/09 A RU2008145349/09 A RU 2008145349/09A RU 2008145349 A RU2008145349 A RU 2008145349A RU 2378742 C1 RU2378742 C1 RU 2378742C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel cell
- electrical energy
- efficiency
- emf
- jacket
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области создания эффективных химических источников тока, обеспечивающих непосредственное преобразование окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, минуя малоэффективный (идущий с большими потерями) процесс горения. Согласно изобретению на широко используемый топливный элемент (ТЭ) трубчатой топологии, в котором совершается процесс преобразования окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, надевается «рубашка» в виде трехслойной разрезной трубчатой конструкции, где внутренний и наружный слои являются токовыми контактами, а средний представляет собой полупроводниковую структуру, изготовленную на основе сульфида самария (SmS). Данная «рубашка» является термоэлектрическим преобразователем (ТЭП), обладающая свойством вырабатывать эдс при равномерном нагреве. Таким образом, под воздействием избыточного тепла, выделяемого ТЭ, в ТЭП возникает собственная эдс которая суммируется с эдс топливного элемента. Техническим результатом является повышение эффективности (КПД по вырабатываемой электрической энергии) комбинированной системы более чем на 20%. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
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.
Claims (2)
1. Устройство для получения электрической энергии постоянного тока, отличающееся тем, что представляет собой комбинацию топливного элемента (ТЭ) трубчатой топологии с термоэлектрическим преобразователем (ТЭП), изготовленного в виде трехслойной разрезной трубы, внутри которой помещен преобразующий элемент из полупроводникового материала на основе сульфида самария, и плотно одетой на внешнюю поверхность (анод) ТЭ.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между ТЭ и ТЭП обеспечивается параллельное или последовательное электрическое соединение.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008145349/09A RU2378742C1 (ru) | 2008-11-17 | 2008-11-17 | Устройство для получения электрической энергии постоянного тока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008145349/09A RU2378742C1 (ru) | 2008-11-17 | 2008-11-17 | Устройство для получения электрической энергии постоянного тока |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2378742C1 true RU2378742C1 (ru) | 2010-01-10 |
Family
ID=41644341
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008145349/09A RU2378742C1 (ru) | 2008-11-17 | 2008-11-17 | Устройство для получения электрической энергии постоянного тока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2378742C1 (ru) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2542609C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542606C1 (ru) * | 2013-08-13 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542592C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542616C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542608C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2548381C2 (ru) * | 2013-08-13 | 2015-04-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2557363C1 (ru) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU199132U1 (ru) * | 2020-04-15 | 2020-08-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") | Термоэлектрический генератор |
-
2008
- 2008-11-17 RU RU2008145349/09A patent/RU2378742C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2542606C1 (ru) * | 2013-08-13 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2548381C2 (ru) * | 2013-08-13 | 2015-04-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542609C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542592C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542616C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2542608C1 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU2557363C1 (ru) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Выпрямитель переменного напряжения |
RU199132U1 (ru) * | 2020-04-15 | 2020-08-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") | Термоэлектрический генератор |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2378742C1 (ru) | Устройство для получения электрической энергии постоянного тока | |
Wu et al. | Performance assessment of a hybrid system integrating a molten carbonate fuel cell and a thermoelectric generator | |
US20200014046A1 (en) | Solid-oxide fuel cell systems | |
US6423896B1 (en) | Thermophotovoltaic insulation for a solid oxide fuel cell system | |
Wang et al. | Steam electrolysis performance of intermediate-temperature solid oxide electrolysis cell and efficiency of hydrogen production system at 300 Nm3 h− 1 | |
Zhao et al. | Performance evaluation of a novel photovoltaic-electrochemic hybrid system | |
RU2380794C1 (ru) | Электрохимический элемент с твердым электролитом | |
US20050074646A1 (en) | Apparatus and method for solid oxide fuel cell and thermo photovoltaic converter based power generation system | |
KR101332996B1 (ko) | 발전장치 | |
US20110027673A1 (en) | Solid oxide fuel cell system with integral gas turbine and thermophotovoltaic thermal energy converters | |
JP2008234994A (ja) | 燃料電池システム | |
Chaurasia et al. | Regenerative fuel cell with chemical reactions | |
EP3595067A1 (en) | Multi-stack fuel cell systems and heat exchanger assemblies | |
WO2012070487A1 (ja) | 2次電池型燃料電池システム | |
JP5741710B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US20140193672A1 (en) | Thermal to eletric converting cell | |
US8778550B2 (en) | Battery of fuel cells | |
KR102119912B1 (ko) | 응축수 제거용 발열부 가지는 연료전지 및 그 제조 방법 | |
JP4342018B2 (ja) | 化学反応器 | |
JP2008258065A (ja) | 固体酸化物型燃料電池モジュールおよびその起動方法 | |
JP5452135B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
JP5498552B2 (ja) | 燃料電池システム | |
KR20100048553A (ko) | 고온용 연료전지 분리판 | |
JPH01124963A (ja) | 燃料電池 | |
EP4342843A1 (en) | Hydrogen production system and hydrogen production method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121118 |