Комбинированная электрохимическая установка транспортного средства

 

„„ЯЦ „,; 1817160 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистичесКих

РЕСПУБЛИК (s )3 Н 01 М 2/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ hATEHTHQE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К . АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 .:...:- ::..:;.:.;::--::::. : ..: 2 (21) 4918423/23, .. ::.: транспорте и в личном транспортном средст(22).13.02.91...:::::: ве. Целью является упрощение :конструкции и (46) 23.05 93. Бюл. Ф19 .. -; .: .:- уменьшение ее размеров, Комбйнированная . (75) В.Р.Беляев ...:.; .:::: -: - : . электрохймическая установка транспортного . (56) Аврущенко А.Е., Аристов Л.И. и др. On- средства содержит набранные в сдвоенные тимизация Модели электрохимической уста- электрохимические элементы 5: пористые новки для сглаживания пиковых нагрузок. : йластинчатйе электрохимические ячейки 20 и

Электрохимические преобразователй энер- . .,21, у которых. водородные электроды 23 обрагии. Научные труды МЭИ,сб, М 62; М. 1985; щены друг к другу, электрически соединены с..È.:,. ... ..",:: ., --:. параллельноиспомощьюуплотйяемойфто(54) КОМБЙНИРОВАНЙАЙ ЭЛЕКТРОХИ- . ропластовой рамочной прокладки 24 обраМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНО - . зуют дополнительную водородную камеру.

ГО СРЕДСТВА.....::: ...::.::;: - . :Кислородные электроды 29 соединены па(57) Изобретение относится к электроэнер-" раллельно а между соседними элементами гетике и экологии.И предназначено для ис- ::в каждом блоке обращены другк другу. 5 ил., пользования йа городском автомобильном 2 табл.

Я

1817160

Изобретение относится к электроэнергетике и экологии и предназначено для использования на городском автомобильном транспорте с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). например автобусах, для сни>кения в несколько раз количества токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу с отработанными газами, повышения устойчивости работы ДВС на бедных топливных смесях, а также замены кислотно-свинцовых аккумуляторов и существенного улучшения атмосфер ной среды в городе.

Целью изобретения является создание относительно малогабаритной КЭУ для использования на городском автомобильном транспорте вместо кислотно-свинцовых аккумуляторов, способной длительное время работать в электролизном режиме, существенно улучшать экологические показатели

ДВС и повышать удобство эксплуатации автомобиля.

Поставленная цель достигается благо.даря тому, что в комбинированной электрохимической установке, состоящей из электролизной и топливной частей, содержащей набранные в блоки пористые пластинчатые электрохимические ячейки с твердым смачиваемым водой электролитом и вспомогательные водородные камеры с гидридом металла, в которой электроды ячеек контактируют одновременно с воздухом, водородом и твердым электролитом, а в режиме электролиза воды электроэнергия поступает от внешнего источника постоянного тока, соединенного с КЭУ автоматической системой коммутации, предусмотрены следующие отличия: каждые две электрохимические ячейки в блоке установлены так, что образуют сдвоенный электрохимический элемент, у которого водородные электроды обращены друг к другу, электрически соединены параллельно и с помощью уплотняемой фторопластовой рамочной прокладки образуют дополнительную водородную камеру; кислородные электроды в каждом элементе электрически соединены параллельно, а между соседними элементами в каждом блоке обращены друг к другу и установлены так, что образуют полости для прохождения воздушного потока, направляемого в систему питания автомобиля; водородные камеры и воздушные полости соединены между собой через электролизный гидравлический зазор и фторопластовые перфорированные перегородки, залитые водой, через которые поступает водород из водородной камеры в воздушную полость при электролизе, продуваемую взрывобезопасным потоком воздуха; водородные камеры соединены с газопроводом выпускных газов, обедненных по кислороду до взрывобезопасных концентраций с водородом, через аварийный гидравлический затвор, уровень которого выше уровня электролизного гидравлического затвора; автоматическая система коммутации при недостаточном собственном тепловы"0 делении КЭУ в зимних условиях включает омические нагреватели и поддерживает температуру не ниже +1 С всех соприкасающихся с водой ее узлов.

Отличительные признаки предлагаемой

15 установки приведены в табл. 1, На фиг. 1 дан вертикальный поперечный разрез КЭУ; на фиг. 2 — сечение по А-А; на фиг. 3 — сдвоенный электрохимический элемент, вертикальный поперечный разрез; на

20 фиг, 4 — схема включения КЭУ в систему питания автомобиля; на фиг. 5 — схема автоматической системы коммутации КЭУ.

Комбинированная (электролизно-топливная) электрохимическая установка 1 со25 стоит из нижней электролизной части и верхней топливной части 2, расположенных в коррозионностойком корпусе 3, четырех блоков 4, каждый из которых набран из двенадцати последовательно соединенных

30 сдвоенных электрохимических элементов 5, основной водородной камеры 6, заполненной гидридом металла 7 и соединенной перфорированными гибкими металлическими трубками 8 с дополнительными водородны35 ми камерами 9, Камера 9 каждого сдвоенного элемента 5 сообщается через водный электролизный гидрозатвор 10 и перфорированную фторопластовую пластину 11 с воздушными полостями 12, вентилируемы40 ми потоком воздуха 13, прошедшим через фильтр 14 и направляемым в карбюратор 15 и далее в ДВС 16 во время его работы.

Минимальный уровень гидрозатвора

10, пропускающего водород из водородных

45 камер 6 и 9 в воздушные полости 12, постоянно поддерживается с помощью поплавкового клапана 17, через который вода 18 поступает самотеком из водного бака 19 в нижнюю электролизную часть КЭУ 1.

Сдвоенный электрохимический элемент

5 состоит из двух пластинчатых электрохимических ячеек 20 и 21 квадратного сечения (или прямоугольного) с твердым пористым гидрофильным электролитом 22, водород55 ные пористые электроды которых 23 обращены друг к другу и отделены уплотняемой фторопластовой рамочной прокладкой 24.

Трубка 8 из коррозионностойкого металла уплотняется в прокладке 24 фторопластовой конической втулкой 25, поджимаемый

1817160 гайкой 26 через упругий элемент 27 из кор- КЭУ1 высокоамперными проводниками розионностойких металлов, В качестве гид- соединен через автоматический коммутатор рида металла 7 может. быть использован 52 с электрической системой 53 автомобиля дисперсныйлантанидникеля LaNIsc насып- ." и, следовательно с генератором постоянноным весом (массой) 3,2 г/см, стойкий в па- 5 го тока 54, стартером 55 и электронагреварах воды и обладающий избирательной . - телями Рщ — Rse, включаемыми при способностью к поглощению водорода из необходимости с помощью автоматических смеси газов. В нижней части ячеек 20 и 21 выключателей Bj< и 8

Гидрид металла 7 постоянно ynpyro гкщжатс . водорода со стехиометрическим количест. помощью подвижной пластйнй 33 и пружин 20 вам кислорода. при этом управляемые вы. 34, упирающихся в крывку 35. Не одном иэ ключатели В1 и И22 разомкнуты. кислородных электродов 29 укреплены на- .. При остановленноМДВС 16 КЗУ 1 рабоKIIoHHbt8 -перфориррванные экраны <9 . - T387 o топливном режиме генерации AQct0каждом блоке 4) из коррозионностойкого янного тока, который при номинальном

; материала, предназначенййе для распреде- 25 . напряжении 24.В поступает через замкнуленйя и направЛения воздушного потока 13:тые выключатели Вз, Вз,.Вт. Вэ. Вэ, В1е в вдоль поверхностей кислородных электро-,, электрическую систему 63 автомобиля, при дов 29. -:::: :: этом управляемые выключатели Вз. Ва Bs и . Сдвоенные алею химические элемен-: Be разомкнуты. ты 5 изолированы от корйуса 3 фторопласто- 30: При стартерном пуске ДВС 16 с номивой прокладкой36; закрываащейднище37, нальным напряжением 12 В ток поступает и собраны в блоки 4 с помощью рамочных: от параллельно включенныхблоков 4 через . стяжек36супругими нажимнймиустройст- ", замкнутые выключатели Вз, Ba, Bs, Be, Во,: вами 39:из коррозионностойких металлов; 81э, при этом вйключатели 81, Вз, Ву, В1о

Каждый блок имеет токовыводные полюса 30 разомкнуты. ("+" и."-") 40 и 41, .;: Предложенной комбинированной алек-

Основная водородная камера 6 с по-: трохимическойустанавкойпользуютсяслев .. мощью.штуцера 42 соединена с аварийным: дующим образом. гидрозатвором 44, уровень которого уста- 35 Пуск в работу. После проверки правильновлен выше уровня электролиэного гидро- ности монтажа узлов установки ее продувазатвора 10 и который соединен с, ют технически чистым азотом (с газопроводом выпускных газов 45; обед- концентрацией не ниже 97 об, g и бак 19 ненных по кйслородудо взрывобезопасных 45 заполняют дистиллированной водой 18 до с водородом концентраций..: "заданного уровня. Первый запуск ДВС 16

На входе потока воздуха 13 установлен проводят от внешнего пускового устройства пластинчатый распределитель 47 воздуш- (аккумулятора или "пусковика"). При запу. ного йотока; а на выходе парогазовой смеси ске от собственного стартера 55 разнопо-, (возд. + H2+ 02+ Х2О) установлен конден- 50 люсные клеммы внешнего источника сатор 48 паров воды, охлаждаемый через соединяют высокоамперными проводами с стенку корпуса 3 с помощью теплопровод- соответствующими полюсными токовыво- ных ребер 49 внешним потоком воздуха от дами 40 и 41 КЗУ 1, выключатели В1, В, Вт, вентилятора автомобиля. На всех соприка- и В8 размыкают„В9 замыкают, остальные ющихся с водой узлах установки предусмот- 55 выключатели коммутатора 52 должны быть рены электронагреватели 50 для создания замкнуты. условий незамерзаемости КЭУ 1 при недо- При первом пуск ДВС16 работаеттольстаточности собственного тепловыделения, ко на бензовоздушной смеси, После накопособенно во время стоянки с выключенным ления достаточного количества водорода в

ДВС взимнихусловиях. основной водородной камере 6 последующие пуски ДВС 16 ничем не отличаются от

Водный бак 19 оснащен магнитоэлект- стартерных пусков двигателя от собственрическим измерителем 51 уровня воды 18. ного аккумулятора.

1817160

Установка работает следующим образом. После запуска ДВС 16 автоматически включается генератор постоянного тока 54 и автоматические выключатели В7 и В8 замыкают. При этом КЗУ 1 начинает работать 5 в режиме электролиза воды. Электрический ток при напряжении на каждом элементе около 2 В поступает на электроды 23 и 29, где происходят электрохимические обратимые реакции: 10 на водородном электроде 2HgO+ 2е Кг+ 2(ОН ), в твердом электролите (OH ) (OH ); на кислородном .. 15 электроде 2(OH } 0,50 + HzO+ 2K . При электролизе эти реакции смещены вправо, а при генерации тока смещены влево при напряжении около0,5 — 1 В, когда КЭУ

1 начинает работать при остановленном 20

ДВС 16 или выключенном генераторе 54.

При эксплуатации установки периодически доливают воду в бак 19, не допуская снижения уровня воды ниже предельного значения, после которого управляемые вы- 25 ключатели Bg u Be отклюЧают установку. а при дальнейшем уменьшении уровня воды срабатывает аварийный гидрозатвор 44, предотвращающий образование взрывоопасной газовой смеси. 30

- При необходимости полного использования номинальной мощности ДВС КЭУ 1 отключают путем размыкания выключателей Be u Be.

Предложенная электрохимическая ус- 35 тановка обладает рядом преимуществ перед прототипом, отмеченных в табл. 2.

Предлагаемая установка предназначена для решения экологических и социальных задач, связанных с оздоровлением 40 атмосферной среды в городе, уменьшением . ,выбросов окиси углерода в десятки раз и углеводородов в несколько раз, заменой кислотно-свинцовых аккумуляторов на воздушно-водородные, а также с повышением 45 удобств при обслуживании автомобиля.

По предложенному техническому реше- . нию следует разработать технический и ра50 бочий проекты, изготовить опытный образец КЭУ, провести его натурные ресурсные испытания на автомобиле, оценить затраты при серийном изготовлении КЗУ, провести технологические исследования для разработки более совершенных электрохимических элементов с целью дальнейшего уменьшения массогабаритных характеристик и повышения ресурса работы КЭУ.

Формула изобретения

Комбинированная электрохимическая установка транспортного средства, состоящая из электролизной и топливной частей, содержащая набранные в блоки пористые пластинчатые электрохимические ячейки с твердым электролитом, смачиваемым водой, и вспомогательные водородные камеры, заполненные гидридом металла, автоматическую систему, коммутации, соединенную с внешним источником постоянного тока, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и уменьшения ее размеров, каждые две электрохимические ячейки в блоке установлены с образованием сдвоенного электрохимического элемента, у которого водородные электроды обращены друг к другу, электрически соединены параллельно и с помощью уплотняемой фторопластовой рамочной прокладки образуют дополнительную водородную камеру, кислородные электроды в каждом элементе электрически соединены параллельно, а между соседними элементами в каждом блоке обращены друг к другу и установлены с образованием полости для прохождения воздушного потока, используемого в системе питания транспортного средства, водородная камера и воздушная полость соединены между собой через электролизный гидравлический затвор и фторопластовую перфорированную перегородку, залитую водой, пропускающую при электролизе воды водород в воздушную полость, вентилируемую потоком воздуха, а водородные камеры снабжены аварийным гидравлическим затвором с высотой столба, большей высоты столба электролизного гидравлического затвора, для соединения с газопроводом выпускных газов транспортного средства.

1817 l60

Таблица1

Вывод о наличии ново» го свойства, обусловленного отличительными .от прототипа признаками

Источник известного техн. решения, содержащий отл. пр. в приведенном в

Гр 3 известном техническом ре" шении или объекте в предложенном техническом решении

Новое свойство присутствует в техническом решении, предложенном автором, Не обнаружен в других устройствах аналогах и решениях, известных в науке и технике

«I I»

l l» йироко известные объекты: утюги, холодильники и т.п.

Нет нового свойства дв тома тически в ключ ает и поддерживает заданную температуру

Признак предложенного технического решения,. отличительный от прототипа

Каждые две электрохимические ячейки е блоке установлены так, что образуют сдвоенный электрический элемент, у которого водородные электроды обращены друг к другу, элект рически соединены параллельно и с помощью уплотняемой фторопластовой рамочной прокладки образуют дополнительную водородную камеру; кислородные электроды в каждом элементе электрически соединены параллельно, меж ду соседними элементами в каждом блоке обращены друг к другу и установлены так что образуют полости для прохождения воздуш. ного потока, направляемог@ в систему питания автомобиля; водородные камеры и воздушные полости соединены между со" бой через электро-..... лизный гидравлический затвор и фторо- . пластовую перфорированную перегородку, залитую водой, через которые поступает водород из водородной камеры в воздушную полость, продуваемую вэрывобезопасным потоком воздуха при * электролизе. водородные камеры соединены с газопровод дом выпускных газов через аварийный гидравлический затвор, уровень которого выше уровня электролизного гидравлического затравора1 автоматическая система коммутацмм при недостаточном собственном тепловыделении КЭУ в зимних условиях включает омические нагреватели и поддерживает температуру не ниже + 1 С всех соприкачакщихся с водой ее узлов.

Свойства, проявляемые отличительными признаками

Сравнительно низкие плотности токов, внутренних гидравличес" ких и элен трических сопротивлений, а также низкие давления газов и температуры и, как следствие,. увеличенный ресурс работы

Обеспечивают постоянную вентиляцию воздушных полостей и взры.вобеэопасность

КЭУ при ее работе в режиме электролиза.

Препятствует. проникновению воздухе в водородную камеру и обеспечи-. вает вэрывоопас ность КЭУ при работе ее в режиме генерации электрического тока.

Обеспечивает вэрывобезопасность КЭУ в ситуациях, связанных с аварийной утечкой воды

Обеспечивает незамерзаемость КЭУ и облегчает пуск ее и ДВС в работу после стоянки автомобиля с останов-. лениым ДВС в зимнее время

1817160

Таблица2

Показатели расчетные заявляемого объекта прототипа

Сложная

Упрощенная

Конструкция КЭУ

Обеспечена конструкцией КЭУ

lie известВз рыво защищен мост ь нд

«>!

Иорозостой кость

5,0

24

12

0,4

0,035

0,2

300

Емкость КЗУ> А ч

5.">0х480х350 не более

0,73

Иасса, кг

Наименование технических и эксплуатационных свойств, улучшеннь.х предложенным техническим решением, и их размерность

Потребляемая мощность источника питания постоянным током, кВт

Напряжение источника пи" тания, В

Напряжение КЭУ, В: при электролизе при генерировании тока при стартерном пуске

Плотность тока, A/ñì : при электролизе при генерировании тока при стартерном пуске

Габаритные размеры, (ммхмихмм) Расход воды при электр., кг/ч

Подробное объяснение причин возможного улучшееия показателей предложенного объек" та по сравнению с прототипом

Разработка сдвоенных электрохимических элементоВ, использование низких плотностей токов на электродах и температур до В. С при давлении водорода О, 1 ИПа

Разработка конструкции с электролизным и аварийным гидрозатвором, вентилируемой потоком воздуха при . электролизе, создакщим концентрацию с водородом меньшую нижнего предела детонационной концентрации, >

Обеспечена автоматическим включением электронагревателей, поддерживающих температуру всех соприкасающихся с водой. частей КЭУ. не ниже +lо С при недостаточном собственном тепловыделении в зим- них условиях

Расчетные показатели КЗУ.для авто" модиля с ДВС мощностью 72 л.e., (53 кВт). Показателей для прототипа не обнаружено.

1817160

1817160

1817160

«Риг.5

Корректор А.Мотыль

Составитель В.Беляев

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1726 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5