Портативный водородный источник электропитания

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к электрохимическим генераторам, и может быть использовано в качестве источника электропитания для портативной техники и в качестве зарядного устройства аккумулятора для портативной техники.

Известна «Энергоустановка на основе топливных элементов и способ управления энергоустановкой» (патент RU 2345447, 30.07.2007, Общество с ограниченной ответственностью «Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (ООО «Национальная инновационная компания «НЭП»)), содержащая батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, регулирующий клапан и систему управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи топливных элементов и преобразователя напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана, выход генератора водорода соединен с входом водородной полости батареи топливных элементов, к выходу водородной полости подключен регулирующий клапан, который выполнен с двумя уровнями P₁ и Р₂ давления срабатывания, причем P₂>P₁, первому уровню P₁ соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню P₂ - режим аварийного стравливания водорода при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах в рабочем режиме, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления регулирующим клапаном. На входе в водородную полость батареи топливных элементов установлен вентилятор, входы питания которого соединены с выходами системы управления режимами работы энергоустановки, причем система управления содержит блок управления вентилятором. Преобразователь напряжения может быть снабжен входом включения/выключения, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления включением и выключением преобразователя напряжения.

Технический результат заключается в улучшении вольтамперных характеристик энергоустановки, но недостатками является сложность конструкции из-за наличия регулирующего клапана на выходе водородной полоски топливного элемента с двумя промежуточными положениями Р1 и Р2 давления срабатывания.

Так же известно, что напряжение на выходах топливного элемента снижается при увеличении тока нагрузки согласно типовой вольтамперной характеристике топливного элемента, поэтому еще одним недостатком данного изобретения является возможный неконтролируемый режим включения продувки или аварийного сброса давления в водородной полости при увеличении тока нагрузки выше заданного значения, и тем самым требует наличия заданной нагрузки для энергоустановки и сильно ограничивает разнообразие единовременно подключаемых источников потребления.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Автономный источник тока питания на топливных элементах» (патент RU 2351040, 17.08.2007, Общество с ограниченной ответственностью «Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (ООО «Национальная инновационная компания «НЭП»)). Данный патент принят за прототип изобретения.

Согласно изобретению автономный источник питания на топливных элементах содержит генератор водорода. Включающий сменные картриджи для взаимодействующих реагентов, редукционный и предохранительные клапаны для регулирования давления анодного газа в топливной камере, блок преобразования выходного напряжения и блок управления клапанами, причем выход генератора водорода соединен через редукционный предохранительный клапан, токовые выводы мембранно-электродных сборок соединены с входом блока преобразования выходного напряжения, первый выход которого соединен через указанный блок управления с управляющими входами редукционного и предохранительного клапанов, а второй выход блока преобразования выполнен с возможностью подключения к потребителю. Техническим результатом является создание простого, компактного и эффективного автономного источника питания на топливных элементах.

Недостатком данного изобретения являются низкая выходная электрическая мощность, наличие пьезоэлектрического клапана для регулировки давления в топливной камере топливных элементов, что усложняет конструкцию источника питания и требует наличия преобразователя высокого напряжения для работы пьезоэлектрического клапана.

Технической задачей изобретения является повышение выходных электрических характеристик источника электропитания и создания простого и эффективного автономного источника электропитания на топливных элементах.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый настоящим изобретением портативный водородный источник электропитания, содержащий корпус с батареей топливных элементов с заменяемым источником газообразного водорода, отличающийся тем, что он имеет модульную структуру с возможностью замены отдельных модулей для изменения габаритно-весовых, мощностных характеристик или энергоемкости конечного устройства, содержит водородную газовую линию с разъемным, например, магнитным или резьбовым соединением и клапаном продувки анодной области, содержит управляющую и регулирующую режим работы топливного элемента электронику.

Основным структурным блоком является батарея топливных элементов (4), размещенная в корпусе (15) с закрепленным внутри вентилятором (10) для обдува воздухом, также корпус содержит управляющую и регулирующую режим работы батареи топливных элементов электронику (5) и водородную газовую линию (3). На корпусе с разных сторон для удобства подключения размещены электрический и газовые интерфейсы. Корпус содержит специальные отверстия для прохождения воздуха через батарею топливных элементов, причем отверстия открыты в рабочем состоянии источника электропитания и отверстия закрыты с возможностью уплотнения ограничения доступа внешнего воздуха во внутреннем объем с целью препятствовать возможному осушению электролита в мембранно-электродном блоке при длительном хранении источника электропитания в выключенном состоянии.

Водородная газовая линия (3) является элементом, соединяющим батарею топливных элементов (4) с источником водорода (1). Источник водорода является сменным. В качестве источника водорода могут выступать металлогидридные аккумуляторы водорода, баллоны с компримированным водородом высокого давления или, в том числе регенерируемые, химические источники водорода. Источник водорода имеет запорный (2) клапан, перекрывающий подачу водорода при отключении источника водорода от портативного водородного источника электропитания, что дает возможность безопасного отключения и хранения источника водорода. Источник водорода также может иметь и контактную группу для подключения к управляющей электронике, контролирующей процесс выработки водорода, например, в случае использования химических источников водорода. Водородная газовая линия (3) включает разъемное, например, магнитное или резьбовое соединение со штоком или механизмом для открывания запорного клапана в источнике водорода при его подключении к портативному водородному источнику электропитания, и клапан, открывающийся для подачи водорода к батареи топливных элементов при переведении устройства в рабочее состояние и закрывающийся при переведении устройства в выключенное состояние, при этом в извлечении источника водорода нет необходимости.

Водородная газовая линия (3) от источника водорода до батареи топливного элемента может содержать следующие элементы:

- редуктор давления (6), снижающий давление водорода от баллонного до подходящего для работы топливного элемента;

- механический или элекромеханический клапан (8), открывающийся при открывании/закрывании портативного водородного источника электропитания и закрывающийся при закрывании/выключении портативного водородного источника электропитания;

- датчик давления водородной линии (7);

- датчик утечки водорода (16);

- клапан продувки (9), связанный с выходным газовым каналом батареи топливных элементов. Клапан продувки должен быть нормально закрытым и может быть электромагнитным. Режим продувки батареи топливных элементов позволяет продуть анодную область батареи топливных элементов небольшим количеством водорода для поддержания батареи топливных элементов в оптимальном рабочем режиме. Открытие клапана необходимо для отвода из анодной области атмосферных газов (преимущественно азота), диффундирующих в том числе из катодной области, а также для удаления воды и примесей из водорода, суммарно ухудшающих доступ водорода к активной области батареи топливного элемента, что приводит к снижению мощности батареи топливного элемента. Клапан продувки открывается по необходимости или периодически, интервал между кратковременными открытиями может меняться в зависимости от режима работы батареи топливных элементов и генерируемой им в процессе работы мощности.

В зависимости от конструкции батареи топливного элемента и типа используемого источника водорода и его конструкции водородная линия может содержать все или только часть перечисленных элементов. Например, в случае применения металлогидридного источника со сплавом, имеющим безопасное для работы батареи топливного элемента избыточное давление (~ 0,6±0,5 атм в зависимости от конструкции и параметров используемой батареи топливных элементов), возможно использование только запорного клапана на источнике водорода без остальных перечисленных выше элементов. Использование механического или электромеханического клапана, открывающегося при открывании/включении портативного водородного источника электропитания и закрывающегося при закрывании/выключении портативного водородного источника электропитания, рекомендуется для контроля и управления режимом выработки энергии при возникновении такой необходимости, а также для повышения безопасности использования системы. Редуктор давления необходим при использовании источников водорода, имеющих выходное давление выше подходящего для работы батареи топливных элементов.

Так же корпус портативного водородного источника электропитания имеет воздухоподвод и воздуховывод, между которыми расположен вентилятор (10) с регулируемой скоростью подачи воздуха. Управление вентилятором осуществляется на основании данных по температуре батареи топливного элемента и по генерируемой портативным водородным источником электропитания мощности.

Управляющая электроника (5) может поддерживать работу источника электропитания путем контроля рабочей температуры активной области батареи топливных элементов в зоне максимальной эффективности за счет регулирования скорости вентилятора для обеспечения необходимого потока воздуха и охлаждения батареи топливных элементов. Оптимальная температура зоны реакции топливного элемента +45С° - +65С° в зависимости от компоновки и выходной мощности топливного элемента. Для этого непосредственно на одном из мембранно-электродных блоков вблизи зоны протекания электрохимической реакции, а также в отдалении от этой зоны для определения температуры окружающей среды расположены один или несколько датчиков температуры (11) с целью контроля эффективности работы в широком диапазоне климатических условий, эффективного управления рабочими режимами батарей топливных элементов и защиты ее от аварийных режимов.

Кроме того, к управляющей электронике как дополнение может быть, например, подключен буферный суперконденсатор (13) или буферный аккумулятор (12), обеспечивающий повышенную стабильность работы, в том числе, при резких изменениях тока в подключаемой нагрузке.

Буферный аккумулятор - это накопитель электроэнергии, который подключен к топливному элементу через плату управления и накапливает при необходимости электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом. Он является частью системы выдачи мощности потребителю, но он может быть необязательным. Этот аккумулятор и топливный элемент параллельно подключены к потребителю, и плата управления обеспечивает суммирование тока, генерируемого обоими источниками (топливный элемент и аккумуляторная батарея), при этом выходное номинальное напряжение топливного элемента немного превосходит напряжение аккумулятора, чтобы была возможность подзарядки аккумулятора.

Буферный суперконденсатор (электрохимический конденсатор) - это накопитель для дополнительного накопления энергии, и он обладает способностью накапливать большое, по отношению к его размеру и в сравнении с традиционным конденсатором, количество энергии. Он подключен через плату управления к топливному элементу и накапливает при необходимости электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом. Он является частью системы выдачи мощности потребителю, но он может быть необязательным.

Так же управляющая электроника обеспечивает выполнение специальных автоматических алгоритмов увлажнения мембран батареи топливных элементов как в случае их пересыхания при хранении или использовании в неблагоприятных условиях, так и в процессе работы источника электропитания для повышения эффективности работы батареи топливных элементов и предотвращения снижения генерируемой мощности.

Электрический интерфейс, расположенный на корпусе, содержит не менее одного разъема для подключения полезной нагрузки (14). Данный интерфейс может содержать универсальный разъем, предполагающий подключение переходников различного типа, дающих возможность присоединения различных устройств как на прямую через соответствующие разъемы или переходники, так и через DC/DC преобразователь/преобразователи, также возможно подключение управляемых зарядных устройств для аккумуляторов, в том числе с возможностью балансировки заряда. Кроме того, к универсальному разъему напрямую может быть подключен блок DC/DC преобразователь/преобразователей с различными типами электрических выходов.

Источник электропитания согласно изобретению позволяет подключать для питания различную нагрузку в пределах максимально установленной мощности источника электропитания и не требует для этого дополнительной настройки или перекомпоновки источника электропитания или отдельных его компонентов. В качестве полезной нагрузки может выступать различная портативная техника, светоизлучающие приборы различного типа, внешние аккумуляторные батареи.

На приведенной фиг. 1 показана блок-схема с основными особенностями предлагаемого нами изобретения.

Источник электропитания согласно изобретению работает следующим образом: источник водорода (1) присоединяется к водородной газовой линии (3) при помощи разъемного, например, магнитного или резьбового соединения; затем, при возникновении необходимости, водород поступает в батарею топливных элементов (4). На электродах батареи топливного элемента появляется напряжение, после чего включается электроника (5) и осуществляется ввод системы на режим работы.

Включение прототипа источника электропитания согласно изобретению осуществляется тумблером или переключателем, при этом происходит открытие механического клапана в водородной газовой линии для подачи водорода к топливному элементу. Выключение прототипа источника электропитания для перерыва в работе осуществляется также переключателем, при этом указанный клапан закрывается. При перерывах в работе прототипа в отсоединении и изъятии источника водорода из прототипа устройства электропитания нет необходимости. Корпус прототипа выполнен с возможностью закрытия отверстий воздухоподвода и воздуховывода и изолирования батареи топливных элементов от окружающей среды с целью ограничить возможное пересыхание мембранно-электродных блоков в батареи топливных элементов при длительном хранении. Изолирование батареи топливных элементов выполняется конструкцией корпуса автоматически при выключении прототипа источника электропитания.

Таким образом, предлагаемое устройство портативного источника электропитания позволяет использовать его в качестве удобного и высокоэффективного автономного источника электропитания портативных устройств; зарядного устройства для аккумуляторов, в том числе в портативной технике; источника электропитания для осветительных устройств различного типа и прочего.