ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СПОСОБНЫЙ К ЗАВИСЯЩЕЙ ОТ НАГРУЗКИ РАБОТЕ Российский патент 2008 года по МПК H01M8/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к топливному элементу, а более конкретно, к топливному элементу, способному к зависящей от нагрузки работе, что может максимизировать эффективность посредством регулирования количества электричества, производимого топливным элементом.

Уровень техники

Вообще говоря, топливный элемент является устройством для прямого преобразования энергии топлива в электрическую энергию. Такой топливный элемент обычно представляет собой систему топливного элемента, в которой анод и катод установлены на обеих сторонах пленки из полимерного электролита и которая генерирует электрическую энергию посредством движения электронов, высвобождаемых при протекании электрохимического окисления водорода, служащего в качестве топлива, на аноде (окислительном электроде или топливном электроде), и электрохимического восстановления кислорода, служащего в качестве окислителя, на катоде (восстановительном электроде или воздушном электроде), и которая может быть названа одним из типов установки генерирования энергии.

Вышеупомянутые топливные элементы классифицируются на щелочные топливные элементы (AFC), топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC), топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC), топливные элементы с твердым оксидным электролитом (SOFC), топливные элементы с полимерным электролитом (PEMFC) и т.д. в зависимости от рабочей температуры и типа основных видов топлива. Среди них электролит топливного элемента с полимерным электролитом является не жидким, а твердой полимерной мембраной, чем отличается от других типов топливных элементов. В топливном элементе с полимерным электролитом могут использоваться различные виды топлива обычно таким образом, чем углеводородное (CH) топливо, такое как сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный нефтяной газ (СНГ) и т.п., перерабатывается в водород (H₂) посредством десульфуризации, реакции реформинга и процесса гидроочистки в блоке реформинга, и полученный таким образом водород подается к топливному электроду блока батареи.

Фиг.1 является схематичным видом топливного элемента типа PEMFC (топливного элемента с протонообменной мембраной), в котором углеводородное (CH) топливо, метанол CH₃OH и т.п. (на чертеже - «СПГ») перерабатывается в водород (H₂) посредством десульфуризации, реакции реформинга и процесса гидроочистки в реформинг-установке и используется в качестве топлива.

Как показано на этом чертеже, топливный элемент известного уровня техники включает в себя блок 10 реформинга, вырабатывающий водород из СПГ; блок 20 батареи, снабженный топливным электродом 21, подсоединенным к блоку 10 реформинга для поступления полученного водорода, и воздушным электродом 22 для поступления кислорода воздуха для получения электричества и тепла посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом; блок 50 преобразования электричества, подсоединенный к выходной стороне блока 40 батареи, для преобразования электричества и подачи его на нагрузку; блок 60 теплообмена, подающий воду в блок 10 реформинга и блок 40 батареи и охлаждающий блок 10 реформинга и блок 20 батареи; и блок управления (не показан), электрически подсоединенный к вышеописанным блокам 10, 20, 30 и 40, для управления ими.

Блок 50 преобразования электричества включает в себя преобразователь 51 постоянного тока в постоянный ток, который переключает постоянный ток, созданный в блоке батареи, для создания переменного тока и выпрямляет этот переменный ток для повторного создания постоянного тока, и инвертор 52, который преобразует постоянный ток в переменный ток для его подачи в электроприбор для использования мощности переменного тока.

Непоясненная выше ссылочная позиция 20 обозначает блок подачи топлива, позиция 21 обозначает линию подачи топлива, позиция 22 обозначает топливоподающий насос, позиция 30 обозначает блок подачи воздуха, позиция 31 обозначает линию подачи воздуха, позиция 61 обозначает бак для хранения воды, позиция 62 обозначает линию циркуляции воды, позиция 63 обозначает радиатор, и позиция 64 обозначает водоциркуляционный насос.

Вышеописанный топливный элемент известного уровня техники работает следующим образом.

А именно углеводородное топливо подвергается реформингу в блоке 10 реформинга и перерабатывается в водород, и этот водород подается к топливному электроду 41 блока 40 батареи, тогда как воздух подается к воздушному электроду 42 блока 40 батареи, что вызывает реакцию окисления на топливном электроде 41 и реакцию восстановления на воздушном электроде 42. Электроны, высвободившиеся в этом процессе, генерируют электричество, двигаясь от топливного электрода 41 к воздушному электроду 42, и это электричество постоянного тока переключается в преобразователе 51 постоянного тока в постоянный ток блока 50 выдачи электричества для выработки переменного тока, этот переменный ток усиливается или ослабляется катушкой индуктивности, трансформатором, электрической емкостью и т.д. и затем выпрямляется для повторного получения постоянного тока, и после этого инвертор 52 снова преобразует постоянный ток в переменный ток и подает его на различные виды силовых нагрузок переменного тока.

При этом, если полная нагрузка является большей, чем количество электричества, выработанного в топливном элементе, то количество электричества, требуемого для полной нагрузки, дополняется путем использования вспомогательного источника питания.

Однако при вышеописанном топливном элементе известного уровня техники, в том случае, когда топливный элемент используется как источник питания в жилых домах или зданиях, действительно находящаяся в использовании нагрузка изменяется каждый час, и это может привести к перепроизводству или недопроизводству электроэнергии. Например, часть электронных приборов, используемых в жилых домах, предназначена для временного использования, и при этом количество используемого электричества возрастает, когда такие электронные приборы находятся в использовании, тогда как количество используемого электричества уменьшается, когда они не находятся в использовании. В этом случае, в частности в странах или регионах, где продажа электричества не разрешена, если величина электричества, произведенного в топливном элементе, не увеличивается или не уменьшается в зависимости от изменения полной нагрузки, это приводит к производству ненужного электричества, или же становится необходимым готовить топливный элемент, имеющий избыточную производственную мощность, с учетом такого изменения, что предполагает ненужные издержки.

Раскрытие изобретения

Поэтому настоящее изобретение было создано с учетом вышеупомянутых проблем топливного элемента известного уровня техники и имеет своей целью обеспечение топливного элемента, способного к зависящей от нагрузки работе, который может регулировать выдачу электричества (т.е. количество выдаваемого электричества) в зависимости от изменения находящейся в действительном использовании нагрузки.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с назначением настоящего изобретения, как воплощено и широко описано здесь, предложен топливный элемент, включающий в себя: блок подачи топлива; блок подачи воздуха; блок батареи, подсоединенный к блоку подачи топлива через линию подачи топлива для поступления водорода и подсоединенный к блоку подачи воздуха через линию подачи воздуха для поступления кислорода, посредством чего вырабатывается электрическая энергия и тепловая энергия за счет электрохимической реакции между водородом и кислородом; блок преобразования электричества для преобразования выработанной в блоке батареи электрической энергии таким образом, чтобы подавать ее на нагрузку; блок измерения электрической мощности для детектирования как остаточной величины электрической мощности, остающейся после того, как блок преобразования электричества подает электричество на нагрузку, так и дополнительной величины электрической мощности, подаваемой посредством вспомогательного источника питания; и блок управления, электрически подсоединенный к блоку измерения электрической мощности и вычисляющий разницу между остаточной величиной электрической мощности и дополнительной величиной электрической мощности, детектированными блоком измерения электрической мощности, для управления выдачей электричества из блока батареи.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания изобретения и включены в это описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты воплощения изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

На этих чертежах:

Фиг.1 является систематическим видом одного примера топливного элемента известного уровня техники;

Фиг.2 является систематическим видом одного примера топливного элемента согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 является схемой последовательности, иллюстрирующей процедуру зависящего от нагрузки управления в топливном элементе по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Далее будет описан способный к зависящей от нагрузки работе топливный элемент согласно настоящему изобретению со ссылкой на один из вариантов воплощения, который иллюстрирован на прилагаемых чертежах.

Фиг.2 является систематическим видом одного примера топливного элемента согласно настоящему изобретению. Фиг.3 является схемой последовательности, иллюстрирующей процедуру зависящего от нагрузки управления в топливном элементе по настоящему изобретению.

Как показано на этих чертежах, топливный элемент согласно настоящему изобретению включает в себя блок 110 реформинга, вырабатывающий водород из СПГ; блок 120 подачи топлива, подсоединенный к блоку 110 реформинга и подающий полученный водород к топливному электроду, который будет описан позже; блок 130 подачи воздуха, подающий присутствующий в атмосфере воздух к воздушному электроду, который будет описан позже; блок 140 батареи, снабженный топливным электродом 141 для поступления водорода и воздушным электродом 142 для поступления кислорода из воздуха, для производства электричества и тепла посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом; блок 150 преобразования электричества, подсоединенный к выходной стороне блока 140 батареи, для подачи электричества на нагрузку; блок 160 теплообмена, подающий воду в блок 110 реформинга и блок 140 батареи и охлаждающий блок 110 реформинга и блок 140 батареи; блок 170 измерения электрической мощности, детектирующий как остаточную величину электрической мощности, остающуюся после того, как блок 150 преобразования электричества подает электричество на нагрузку, так и дополнительную величину электрической мощности, поданную посредством вспомогательного источника питания; и блок 180 управления, вычисляющий разницу между остаточной величиной электрической мощности и дополнительной величиной электрической мощности, детектированными блоком 170 измерения электрической мощности, для управления выдачей электричества из блока 140 батареи.

Блок 120 подачи топлива и блок 130 подачи воздуха имеют соответственно линию 121 подачи топлива и линию 131 подачи воздуха, которые соединены с топливным электродом 141 и воздушным электродом 142 блока 140 батареи. В средних частях линии 121 подачи топлива и линии 131 подачи воздуха предусмотрены соответственно топливоподающий насос 122 и воздухоподающий насос 132 с тем, чтобы регулировать количество подаваемого топлива и количество подаваемого воздуха. При этом топливоподающий насос 122 может быть установлен со стороны, находящейся выше по потоку относительно блока 110 реформинга, или со стороны, находящейся ниже по потоку относительно блока 110 реформинга.

Блок 140 батареи имеет топливный электрод 141 и воздушный электрод 142, расположенные с проложенной между ними пленкой электролита, и на внешней поверхности топливного электрода 141 и воздушного электрода 142 установлена пластина-разделитель (не показана) с трактом потока топлива и трактом потока воздуха для формирования единичных элементов. Единичные элементы расположены слоями в виде пакета (батареи) и составляют блок 140 батареи.

Блок 150 преобразования электричества включает в себя преобразователь 151 постоянного тока в постоянный ток, который переключает постоянный ток, выработанный в блоке 140 батареи, с получением переменного тока и выпрямляет этот переменный ток с повторным получением постоянного тока, и инвертор 152, который преобразует постоянный ток в переменный ток для его подачи к электроприбору с целью использования мощности переменного тока.

Блок 170 измерения электрической мощности включает в себя измерительный прибор 171, установленный между блоком 150 преобразования электричества топливного элемента и вспомогательным источником питания, для детектирования величины электрической мощности, используемой различными видами нагрузок; первый датчик 172 электрической мощности, установленный на выходном контакте блока 150 преобразования электричества, для детектирования величины электрической мощности, производимой посредством блока 150 преобразования электричества, и передачи сигнала блоку 180 управления; и второй датчик 173 электрической мощности, установленный между измерительным прибором 171 и нагрузкой, для детектирования остаточной величины электрической мощности, оставшейся после подачи на различные виды нагрузок из топливного элемента, и дополнительной величины электрической мощности, подаваемой на различные виды нагрузок из вспомогательного источника питания.

Первый датчик 172 электрической мощности и второй датчик 173 электрической мощности могут быть выполнены в виде датчика тока для восприятия тока или гибридного датчика для восприятия как тока, так и напряжения.

Блок 180 управления электрически подключен к топливоподающему насосу 121 и воздухоподающему насосу 131, так что количество подаваемых топлива и воздуха может регулироваться в зависимости от разницы между остаточной величиной электрической мощности и дополнительной величиной электрической мощности. Обмен данными может быть осуществлен посредством непосредственного считывания показаний первого датчика 172 электрической мощности или посредством использования протокола связи.

Непоясненная ссылочная позиция 161 обозначает бак для хранения воды, позиция 162 обозначает линию циркуляции воды, позиция 163 обозначает радиатор и позиция 164 обозначает водоциркуляционный насос.

На чертежах везде были использованы подобные ссылочные позиции для обозначения идентичных конструктивных элементов.

Эффекты от эксплуатации топливного элемента, способного к зависящей от нагрузки работе, заключаются в следующем.

А именно, если блок 140 батареи реагирует на команду от блока 180 управления, то блок 140 батареи генерирует электричество и тепло, и это электричество используется в качестве электрической энергии, требуемой в жилых домах или офисах, через блок 150 преобразования электричества, тогда как тепло используется в качестве тепловой энергии в сочетании с обогревом комнат или системой горячего водоснабжения.

В то же время часть электроприборов, подключенных к топливному элементу для потребления электричества, предназначена для временного использования. Таким образом, величина электрической мощности, требуемой полной (суммарной) нагрузке, может быть большей или меньшей, чем величина электрической мощности, произведенной в топливном элементе, в соответствии с частотой их использования пользователем. Соответственно в настоящем изобретении блок 180 управления топливного элемента непрерывно управляет выдачей электричества и контролирует величину используемой электрической мощности и всегда обеспечивает возможность производства надлежащего количества электричества в топливном элементе.

Например, как показано на фиг.2 и 3, первый датчик 172 электрической мощности детектирует величину электрической мощности, произведенной в топливном элементе, второй датчик 173 электрической мощности детектирует остаточную величину электрической мощности, оставшуюся после подачи на полную нагрузку, или дополнительную величину электрической мощности, поданной на нагрузку из вспомогательного источника питания, так как величина электрической мощности, произведенной посредством топливного элемента, не покрывает этой полной нагрузки, и блок 180 управления сравнивает текущую детектированную величину производства электрической мощности от первого датчика 172 электрической мощности с детектированными значениями от второго датчика 173 электрической мощности, вычисляя надлежащее количество электричества, которое необходимо произвести в топливном элементе, регулирует интенсивность работы (например, путем включения и выключения или изменения производительности) топливоподающего насоса 122 и воздухоподающего насоса 132 с тем, чтобы увеличить или уменьшить количество подаваемых топлива и воздуха на величину его положительного или отрицательного приращения. Кроме того, преобразователю 151 постоянного тока в постоянный ток и инвертору 152 блока 150 преобразования электричества направляются команды увеличить или уменьшить выдаваемую величину электрической мощности, что всегда дает возможность топливному элементу произвести надлежащее количество электричества.

Вследствие этого топливный элемент производит такую величину электрической мощности, какую действительно требует нагрузка, в результате чего предотвращается потребление ненужного количества топлива при производстве электрической мощности, что оптимизирует систему работы топливного элемента и увеличивает ее эффективность.

Изобретение относится к топливному элементу, а более конкретно, к топливному элементу, способному к зависящей от нагрузки работе. Согласно изобретению топливный элемент, способный к зависящей от нагрузки работе, сконструирован таким образом, что точно вычисляется величина электрической мощности, производимой в топливном элементе, а также величина электрической мощности, подаваемой из вспомогательного источника питания, относительно величины электрической мощности, требуемой на нагрузке, и регулируется приведение в действие топливного элемента в соответствии с величиной электрической мощности, требуемой от топливного элемента. Техническим результатом является предотвращение потребления ненужного количества топлива при производстве электрической мощности, что оптимизирует систему работы топливного элемента и увеличивает ее эффективность. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Топливный элемент, содержащий: блок подачи топлива; блок подачи воздуха; блок батареи, подсоединенный к блоку подачи топлива через линию подачи топлива для поступления водорода и подсоединенный к блоку подачи воздуха через линию подачи воздуха для поступления кислорода, посредством чего вырабатывается электрическая энергия и тепловая энергия за счет электрохимической реакции между водородом и кислородом; блок преобразования электричества для преобразования вырабатываемой в блоке батареи электрической энергии таким образом, чтобы подавать ее на нагрузку; блок измерения электрической мощности для детектирования как остаточной величины электрической мощности, остающейся после того, как блок преобразования электричества подает электричество на нагрузку, так и дополнительной величины электрической мощности, подаваемой посредством вспомогательного источника питания на эту нагрузку; и блок управления, электрически подсоединенный к блоку измерения электрической мощности и вычисляющий разницу между остаточной величиной электрической мощности и дополнительной величиной электрической мощности, детектированными блоком измерения электрической мощности, для управления выдачей электричества из блока батареи.2. Топливный элемент по п.1, в котором блок измерения электрической мощности включает в себя: измерительный прибор для детектирования величины электрической мощности, используемой различными видами нагрузок;

первый датчик электрической мощности для детектирования величины электрической мощности, производимой в блоке батареи; и второй датчик электрической мощности для детектирования остаточной величины электрической мощности, остающейся после подачи на различные виды нагрузок посредством блока преобразования, и дополнительной величины электрической мощности, поданной на различные виды нагрузок из вспомогательного источника питания.