электрохимическая магнитотепловая энергогенерирующая система
Классы МПК: | H01M8/06 комбинации топливных элементов с устройствами для образования реагирующих веществ или для обработки остатков отработанных реагирующих веществ H02N10/00 Электрические двигатели, использующие тепловые эффекты H02N11/00 Генераторы или двигатели, не отнесенные к другим рубрикам; предполагаемые вечные двигатели с использованием электрических или магнитных средств |
Автор(ы): | Темерко А.В., Барсуков Г.Е., Бедбенов В.С. |
Патентообладатель(и): | Темерко Александр Викторович, Барсуков Геннадий Евгеньевич, Бедбенов Владимир Степанович |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-04-09 публикация патента:
20.08.2003 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2
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.Описание изобретения к патенту
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
Класс H01M8/06 комбинации топливных элементов с устройствами для образования реагирующих веществ или для обработки остатков отработанных реагирующих веществ
Класс H02N10/00 Электрические двигатели, использующие тепловые эффекты
Класс H02N11/00 Генераторы или двигатели, не отнесенные к другим рубрикам; предполагаемые вечные двигатели с использованием электрических или магнитных средств