Электрохимическая магнитотепловая энергогенерирующая система

 

Изобретение относится к электроэнергетическим системам на базе топливных элементов. Технический результат заключается в повышении полезного использования топлива и удельной и суммарной выходной мощности. Система содержит, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, топливный резервуар, узел подачи топлива, блок отвода продуктов химической реакции, сборник тепла и блок автоматического управления, по меньшей мере, один магнитотепловой преобразователь тепловой энергии в электрическую, выполненный в виде симметричной разветвленной магнитной цепи с тремя сердечниками. В два крайних сердечника с вторичными обмотками встроены рабочие вставки из магнитомягкого материала, обладающего большим скачком намагниченности при температуре точки Кюри и малой остаточной намагниченностью. На первичную обмотку на центральном сердечнике подается постоянный ток для возбуждения магнитного потока в магнитной цепи, производимый электрохимическими топливными элементами. Блок автоматического управления обеспечивает попеременную подачу попутно вырабатываемого теплового потока с заданной частотой на указанные рабочие вставки в цикле их нагрева до температуры точки Кюри и охлаждения до температуры ниже точки Кюри холодным потоком, нагнетаемым из окружающей среды. В результате периодического размыкания магнитного потока на вторичных обмотках наводится ЭДС разного знака. 2 ил.

Изобретение относится к электроэнергетическим системам на базе топливных элементов, в частности, основанных на применении электрохимических преобразователей энергии и магнитотепловых устройств, с целью увеличения количества получаемой электрической энергии, а также повышения удельной выходной мощности установки.

Важным является то обстоятельство, что электрохимический метод производства энергии в топливных элементах превосходит по экологической чистоте традиционную топливную энергетику в десятки и сотни раз, а по удельным энергетическим характеристикам обычные химические источники тока в тысячи раз.

В настоящее время в ряде стран на основе последних достижений науки и техники ведутся интенсивные исследования в области разработки и создания высокоэффективных и экономически конкурентоспособных энергетических систем на базе топливных элементов.

Наиболее перспективными принято считать электрохимические установки, создаваемые на базе топливных элементов, в которых сопутствующее выработке электрической энергии тепло используют в целях теплофикации или для запуска паровых турбин, с целью получения дополнительного количества электроэнергии, таким образом, наиболее полно утилизуя тепловую часть химической энергии топлива.

Известны электроэнергетические системы, содержащие, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный блок и блок контроля и автоматического управления (см. RU 2168806 С2, Н 01 М 8/06, 10.06.2001). КПД лучших энергетических установок на топливных элементах по электричеству достигает от 50 до 70%. Остальная часть химической энергии, составляющая от 30 до 50%, в ходе окислительно-восстановительного процесса превращается в тепло. Утилизация этого тепла для бытовых нужд в рамках традиционно используемых схем, как правило, малоэффективна. Более того, в отсутствии потребителей попутного тепла, как это имеет место, например, в мобильных установках, приходится расходовать часть производимой электрохимическими преобразователями электрической энергии на съем и отвод выделяемого ими тепла. Главной же задачей электроэнергетических систем является выработка максимума электрической энергии на единицу израсходованного топлива.

В этой связи представляется интересным рассмотреть альтернативную электроэнергетическую систему, представляющую собой комбинацию электрохимического генератора с магнитотепловым устройством. В такой системе, выделяемое топливными элементами тепло используется для получения дополнительного количества электрической энергии посредством магнитотеплового генератора, производящего переменный ток, в режиме циклического нагрева - охлаждения рабочего тела.

Необходимое при этом для работы генератора внешнее магнитное поле индуцируется постоянным током, производимым топливными элементами, а само рабочее тело, выполненное из магнитомягкого материала, обладающего скачком намагниченности в точке фазового перехода, выбирается из ряда условий, предъявляемых к его магнитотепловым свойствам. Основными из них являются малая магнитная вязкость, высокая удельная намагниченность насыщения и пренебрежимо малая коэрцитивная сила.

Такой зависимостью обладают целый ряд хорошо известных магнетиков, например, таких, которые претерпевают магнитный фазовый переход 1-го рода, происходящий под воздействием тепловой энергии, из ферромагнитного в парамагнитное состояние или из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние и наоборот, а также некоторые редкоземельные металлы и их сплавы, обладающие магнитными и магнитоориентационными переходами.

Привлекательность такого магнитотеплового генератора заключается в том, что в нем происходит прямое преобразование тепловой энергии в энергию переменного электрического тока, причем эффективность генератора напрямую связана с магнитными и теплофизическими свойствами используемого в качестве рабочего тела магнитомягкого материала. В частности, рабочий материал должен обладать в окрестности точки Кюри Тc - по возможности большим скачком намагниченности, при этом магнитный фазовый переход должен происходить как можно в более узком интервале температуры. В результате, в процессе магнитного превращения в рабочем материале, помещенном, например, в катушку индуктивности, под воздействием теплового импульса за малые времена (меньше миллисекунды) высвобождается запасенная магнитная энергия, пропорциональная квадрату скачка намагниченности, которая посредством электромагнитной индукции преобразуется в переменный электрический ток. Так как изменение величины намагниченности (скачок намагниченности в окрестности точки Тc), происходящее под воздействием теплового импульса, в некоторых магнетиках, например, в таких как гадолиний, диспрозий, гольмий, а также в интерметаллических сплавах, приготовленных на их основе, может достигать весьма большой величины, то соответственно и величина ЭДС, индуцируемая в катушке, может достигать высоких значений.

Времена магнитной релаксации в вышеуказанных магнетиках с малым содержанием посторонней примеси, как это уже было отмечено ранее, составляет величину ≤1ms, что существенно меньше реализуемых на практике времен, характерных для цикла нагрева - охлаждения рабочего тела, в связи с чем возникает реальная возможность осуществления частотной накачки, высвобождаемой в процессе фазового перехода, запасенной в катушке индуктивности магнитной энергии, с прямым ее преобразованием в переменный ток. Таким образом, можно утверждать, что если в качестве рабочего тела, рассматриваемого ниже генератора электрической энергии, использовать магнитомягкий материал, обладающий малой магнитной вязкостью, большим скачком намагниченности и узкой областью температуры, в окрестностях которой осуществляется магнитный фазовый переход, то такой генератор должен обладать высокой эффективностью и высокой удельной выходной мощностью.

Техническим результатом изобретения является наиболее полная утилизация тепловой энергии, выделяемой в процессе работы топливных элементов, получение дополнительного количества электрической энергии, увеличение коэффициента полезного использования топлива и соответственно повышение удельной и суммарной выходной мощности электроэнергетической системы.

Технический результат достигается тем, что электроэнергетическая система содержит, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции и блок контроля и автоматического управления, система снабжена, по крайней мере, одним преобразователем постоянного тока в переменный, выполненным на основе магнитотеплового устройства, представляющего собой симметрично разветвленную магнитную цепь, содержащую основной магнитопровод, изготовленный из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и трех магнитомягких сердечников с высокой намагниченностью насыщения, в два крайних из которых встроены вставки из рабочего тела, обладающего большим скачком намагниченности от температуры, малой магнитной вязкостью и узким интервалом температуры, в окрестности точки Кюри Tc, в которой этот переход осуществляется. Магнитная цепь содержит одну первичную и две вторичные обмотки, при этом на первичную обмотку возбуждения подается постоянный ток, производимый топливными элементами, а попутно вырабатываемое ими тепло попеременно переключается на упомянутые выше магнитомягкие вставки. Последние выполнены в виде плотноупакованных сборок, набранных из тонкостенных рабочих элементов, например, пластинчатого типа, с нанесенным на их поверхность трехмерным рельефом, с целью интенсификации тепломассообмена и осуществления за малые времена их попеременного нагрева - охлаждения, причем нагрев осуществляется потоком тепла, производимого топливными элементами, с последующим охлаждением рабочих вставок за счет обратного потока, например, воздуха, нагнетаемого компрессором из окружающей среды.

Таким образом, совмещение электрохимического топливного элемента с магнитотепловой машиной в единую энергогенерирующую систему приводит к созданию нового класса электрических машин, в которых производимая топливными элементами энергия постоянного электрического тока напрямую используется для возбуждения в магнитотепловой машине магнитного поля, а попутно вырабатываемое тепло, используемое в цикле нагрева - охлаждения рабочего тела, индуцирует в цепи переменный электрический ток.

Ниже на фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемой электроэнергетической системы, иллюстрирующая принцип ее работы. Она объединяет электрохимический генератор, содержащий батарею топливных элементов 1, топливный резервуар 2, узел подачи топлива 3, блок отвода продуктов химической реакции 4, блок контроля и автоматического управления 5, сборник тепла 6 с магнитотепловым устройством 7, выполненным в виде симметрично разветвленной магнитной цепи, питаемой постоянным током, производимым топливными элементами.

Магнитная цепь состоит из основного магнитопровода 8, изготовленного из магнитомягкой стали, двух крайних сердечников 9 с высокой магнитной проницаемостью и намагниченностью насыщения, расположенных в цепи вторичных обмоток 10 и содержащих рабочие вставки 11, изготовленные из магнитомягкого материала и обладающие вышеуказанными магнитными свойствами, а также центрального сердечника 12 с первичной обмоткой 13, подключенной к сети постоянного тока, производимого топливными элементами 1. Магнитомягкие вставки 11 имеют длину вдоль направления магнитного потока, достаточную для практически полного размыкания магнитной цепи при их нагреве выше точки Тc, а поперечное сечение рабочего тела вставки обеспечивает короткозамкнутость магнитной цепи по мере ее охлаждения ниже Тc. Они изготовлены из тонких пластинчатых элементов 16 с нанесенными на их поверхность сферическими углублениями 17, выполненными в виде лунок, с заданным шагом и образуют плотноупакованную трехмерную решетку, соприкасаясь друг с другом посредством множества точек, образованных выпуклостями на их поверхности, как это показано на фиг.2. Нанесенный на рабочие пластины трехмерный рельеф обеспечивает существенное увеличение тепломассообмена и одновременно необходимую механическую жесткость магнитомягкой вставки, находящейся под циклическим воздействием температурного перепада и давления, оказываемого потоком теплоносителя.

Электроэнергетическая система функционирует следующим образом. В исходном состоянии постоянный ток, вырабатываемый батареей топливных элементов 1, подается на первичную обмотку 13 статического магнитотеплового генератора 7, в результате чего в центральном сердечнике индуцируется магнитный поток Ф, замыкающийся посредством магнитопровода 8 через крайние сердечники 9, содержащие рабочие вставки 11, выполненные в виде вышеуказанных сборок и попеременно находящиеся в ферромагнитном состоянии. Тепловой поток, сопутствующий работе топливных элементов, из сборника тепла 6, периодически подается на правую и левую ветви магнитной цепи, содержащие упомянутые выше магнитомягкие вставки 11 и, проходя через множество параллельных каналов 13 (см. фрагмент Фиг.2), попеременно нагревает их, переводя из исходного ферромагнитного в парамагнитное состояние. Таким образом, когда тепловой поток подается на правую ветвь магнитной цепи, переводя рабочее тело соответствующей вставки 11 в парамагнитное состояние, она размыкается из-за многократного увеличения магнитного сопротивления и практически весь магнитный поток Ф замыкается через левую вставку, находящуюся в ферромагнитном состоянии, в результате чего в катушке 10 левой ветви симметрично разветвленной магнитной цепи индуцируется напряжение. Обратное движение холодного потока, например воздуха, нагнетаемого компрессором 14, питаемого от сети переменного тока, производимого магнитотепловым генератором и подаваемого с распределительного коллектора 15 попеременно на правую и левую вставки, восстанавливает магнитную проводимость правой рабочей вставки 11, в то время как тепловой поток, автоматически переключаемый с заданной частотой от правой ветви к левой, нагревает теперь уже рабочее тело левой вставки, тем самым накоротко замыкая магнитный поток через правую ветвь, индуцируя напряжение в катушке 10, принадлежащей правой ветви. Таким образом, синхронно с тактовой частотой чередования теплового потока происходит периодическое размыкание магнитного потока в правой и левой ветвях магнитной цепи, в результате чего на обмотках катушек 10 наводится ЭДС электромагнитной индукции разного знака, вследствие того, что в то время как на одной из них магнитный поток возрастает до полного своего значения Ф, на другой катушке поток в это время соответственно убывает практически до нуля.

Этот системный принцип управляемого процесса совместной работы электрохимического генератора, собранного на базе топливных элементов и статической магнитотепловой машины, выполненной в виде симметрично разветвленной магнитной цепи, со встроенными в нее магнитомягкими вставками, обладающими описанными выше магнитотепловыми свойствами, может быть реализован в конструкциях произвольного масштаба и различного назначения, от портативных и мобильных до стационарных бытовых и промышленных электроэнергетических установок.

В заключении отметим, что описанная выше магнитотепловая машина является полностью автономным источником электрической энергии в случае осуществления питания магнитной цепи постоянным магнитом (вместо центрального сердечника с первичной обмоткой устанавливается постоянный магнит) и использования для нагрева рабочих вставок природных источников тепловой энергии, например солнечного излучения.

Формула изобретения

Электрохимическая магнитотепловая энергогенерирующая система, содержащая, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, топливный резервуар, узел подачи топлива, блок отвода продуктов химической реакции, сборник тепла и блок автоматического управления, отличающаяся тем, что она снабжена, по меньшей мере, одним магнитотепловым преобразователем тепловой энергии в электрическую, выполненным в виде симметричной разветвленной магнитной цепи с тремя сердечниками, изготовленными из тонких электрически изолированных листов магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, в два крайних из которых с вторичными обмотками встроены рабочие вставки из магнитомягкого материала, обладающего большим скачком намагниченности при температуре точки Кюри и малой остаточной намагниченностью, а на первичную обмотку на центральном сердечнике подается постоянный ток для возбуждения магнитного потока в симметричной разветвленной магнитной цепи, производимый электрохимическими топливными элементами, а блок автоматического управления обеспечивает попеременную подачу попутно вырабатываемого ими теплового потока с заданной частотой на указанные рабочие вставки в цикле их нагрева до температуры точки Кюри и охлаждения до температуры ниже точки Кюри холодным потоком, нагнетаемым из окружающей среды, обеспечивая периодическое размыкание магнитного потока в крайних сердечниках, в результате чего на вторичных обмотках наводится ЭДС разного знака, причем указанные рабочие вставки выполнены в виде плотно упакованных сборок из тонких пластинчатых элементов с трехмерным рельефом на их поверхности, соприкасающихся друг с другом в точках, образованных выпуклостями трехмерного рельефа и образующих множество параллельных каналов для интенсификации теплообмена.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2