УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СИСТЕМЫ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И СПОСОБ ТАКОГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01M8/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, а более конкретно - к устройству для управления работой системы топливного элемента, способному применять модель потребления тепла пользователем к выработке электроэнергии топливным элементом, и к способу такого управления.

Описание предшествующего уровня техники

Вообще говоря, система топливного элемента служит для непосредственного преобразования энергии топлива в электрическую энергию. Система топливного элемента оснащена анодом и катодом по обе стороны от высокомолекулярной электролитной мембраны. По мере того, как водородное топливо электрохимически окисляется на аноде, а кислород электрохимически восстанавливается на катоде, вырабатываются электроны. Система топливного элемента вырабатывает электрическую энергию, поскольку выработанные электроны движутся.

Фиг.1 представляет собой схематическую диаграмму, показывающую топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), в котором углеводородное топливо, такое как сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный нефтяной газ (СНГ), метан CH₃OH и так далее (на чертеже - СПГ), подвергается процессу десульфуризации, процессу реформинга и процессу гидроочистки в реформинг-установке, в результате чего получается только водород, с тем, чтобы использоваться в качестве топлива.

Как показано на Фиг.1, традиционная система топливного элемента содержит блок 10 реформинга для вырабатывания водорода из СПГ; блок 20 батареи, соединенный с блоком 10 реформинга и содержащий анод 21, к которому подается полученный водород, и катод 22, к которому подается воздух, для выработки электроэнергии и тепла посредством электрохимической реакции водорода и воздуха; блок 30 выдачи электроэнергии, соединенный с выходом блока 20 батареи, для подачи электроэнергии на нагрузку; блок 40 теплообмена для охлаждения блока 10 реформинга и блока 20 батареи посредством соответственной подачи в них воды; и контроллер (не показан), электрически соединенный с каждым из этих блоков и управляющий работой каждого блока.

Блок 40 теплообмена содержит водяной контейнер 41 для содержания в нем определенного количества воды, трубопровод 42 охлаждающей воды, присоединенный между водяным контейнером 41 и блоком 20 батареи, для пропускания охлаждающей воды в блок 20 батареи, блок 43 излучения тепла, установленный в середине трубопровода 42 охлаждающей воды, для охлаждения воды, повторно собираемой в водяной контейнер 41 из блока 20 батареи, и циркуляционный насос 44, установленный в середине трубопровода 42 охлаждающей воды, для закачивания воды внутри водяного контейнера 41 и подачи закачиваемой воды в блок 20 батареи.

Далее будет пояснена работа традиционной системы топливного элемента.

Сначала углеводородное топливо подвергается реформингу в блоке 10 реформинга, тем самым вырабатывая водород. Выработанный водород подается к аноду 21 блока 20 батареи.

Блок 10 реформинга подает воздух к катоду 22 блока 20 батареи.

На аноде 21 блока батареи происходит окисление, а на катоде 22 блока 20 батареи происходит восстановление.

При протекании окисления и восстановления вырабатываются электроны. Так как выработанные электроны движутся к катоду 22 от анода 21, вырабатывается электроэнергия. Выработанная электроэнергия преобразуется в переменный ток блоком 30 выдачи электроэнергии, а затем подается на разного рода электрические приборы.

Блок 20 батареи одновременно вырабатывает электроэнергию и тепло. Соответственно, вода, содержащаяся в водяном контейнере 41, подается в блок 20 батареи через трубопровод 42 охлаждающей воды посредством циркуляционного насоса 44 блока 40 теплообмена, и вода, подаваемая в блок 20 батареи, повторно собирается в водяной контейнер 41. По мере того, как многократно выполняется процесс подачи воды и процесс повторного сбора воды, блок 20 батареи охлаждается.

Традиционной системой топливного элемента управляли способом, предложенным японской компанией Мацушита (Matsushita).

Фиг.2 представляет собой структурную блок-схему, показывающую конструкцию устройства для управления работой системы топливного элемента в соответствии с традиционным уровнем техники.

Как показано на Фиг.2, традиционное устройство для управления работой системы топливного элемента содержит блок 230 измерения мощности, блок 200 прогнозирования мощности потребления, командный блок 220 выработки электроэнергии и электрогенератор 100 на основе топливного элемента.

Блок 230 измерения мощности измеряет количество электроэнергии (величину мощности), детектируемой энергосистемой 103.

Блок 200 прогнозирования мощности потребления сохраняет количество электроэнергии, измеренное блоком 230 измерения мощности, формирует пользовательскую модель мощности посредством использования сохраненной информации о мощности и формирует прогнозируемое значение мощности потребления.

Блок 200 прогнозирования мощности потребления содержит блок 205 поддержки данных исследования, блок 203 исследования нейронной модели, блок 202 прогнозирования нейронной модели и блок 204 поддержки данных прогноза.

Командный блок 220 выработки электроэнергии подает команду, соответствующую прогнозируемому значению мощности потребления, выведенному из блока 200 прогнозирования мощности потребления, в электрогенератор 100 на основе топливного элемента, и электрогенератор 100 на основе топливного элемента вырабатывает электроэнергию на основе принятой команды.

В традиционном устройстве для управления работой системы топливного элемента прогнозируется величина потребления электроэнергии пользователем, и на основе спрогнозированной информации подается команда на выработку электроэнергии.

Однако, когда традиционный способ применяется к системе топливного элемента летом или в жарком регионе, электрический коэффициент полезного действия снижается сильнее, чем тепловой коэффициент полезного действия.

Например, в то время как летом или в жарком регионе электрический коэффициент полезного действия составляет 35%, тепловой коэффициент полезного действия составляет 50%.

Раскрытие изобретения

Поэтому цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить устройство для управления работой системы топливного элемента, способное улучшить коэффициент полезного действия (эффективность) системы топливного элемента посредством сохранения данных о количестве воды и данных о температуре воды, выявленных за определенное время, формирования модели потребления тепла пользователем на основе этих данных и применения данной модели потребления тепла пользователем к выработке электроэнергии топливным элементом, а также к способу такого управления.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с назначением настоящего изобретения, как воплощено и в общих чертах описано здесь, предложено устройство для управления работой системы топливного элемента, содержащее: блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии для формирования модели потребления тепла пользователем и вывода сигнала управления количеством вырабатываемой электроэнергии для управления количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основании сформированной модели потребления тепла пользователем; и блок формирования команд на выработку электроэнергии для подачи в топливный элемент команды на выработку электроэнергии, соответствующей сигналу управления количеством вырабатываемой электроэнергии, выдаваемому из блока управления количеством вырабатываемой электроэнергии.

Согласно еще одному варианту воплощения предложено устройство для управления работой системы топливного элемента, содержащее: блок определения количества воды, установленный на трубопроводе отопления с горячей водой, для выявления данных о количестве воды; блок определения температуры, установленный на трубопроводе отопления с горячей водой, для выявления данных о температуре воды; блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии для формирования модели потребления тепла пользователем на основании данных о количестве воды и данных о температуре воды и вывода сигнала управления количеством вырабатываемой электроэнергии для управления количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основании сформированной модели потребления тепла пользователем; и блок формирования команд на выработку электроэнергии для подачи в топливный элемент команды на выработку электроэнергии, соответствующей сигналу управления количеством вырабатываемой электроэнергии, выдаваемому из блока управления количеством вырабатываемой электроэнергии.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с назначением настоящего изобретения, как воплощено и в общих чертах описано здесь, также предложен способ управления работой системы топливного элемента, включающий в себя: выявление данных о количестве воды и данных о температуре воды; формирование модели потребления тепла пользователем на основании выявленных данных о количестве воды и данных о температуре воды; и считывание количества вырабатываемой электроэнергии на основании модели потребления тепла пользователем и, тем самым, управление количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии.

Вышеприведенные и другие цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания настоящего изобретения при его изучении в сочетании с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые приведены для того, чтобы обеспечить лучшее понимание изобретения, и включены в состав данного описания и составляют его часть, иллюстрируют варианты воплощения изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.

На этих чертежах:

Фиг.1 представляет собой схему, показывающую систему топливного элемента в соответствии с традиционным уровнем техники;

Фиг.2 представляет собой структурную блок-схему, показывающую конструкцию устройства для управления работой системы топливного элемента в соответствии с традиционным уровнем техники;

Фиг.3 представляет собой структурную блок-схему, показывающую конструкцию устройства для управления работой системы топливного элемента согласно настоящему изобретению; и

Фиг.4 представляет собой блок-схему последовательности операций способа управления работой системы топливного элемента согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Далее будут подробно рассмотрены предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.

В дальнейшем со ссылкой на прилагаемые чертежи будут более подробно описаны устройство для управления работой системы топливного элемента, способное улучшить коэффициент полезного действия системы топливного элемента посредством сохранения данных о количестве воды и данных о температуре воды, выявленных за определенное время, формирования модели потребления тепла пользователем («пользовательской модели») на основе этих данных и применения данной модели потребления тепла пользователем к выработке электроэнергии топливным элементом, а также способ такого управления.

Фиг.3 представляет собой структурную блок-схему, показывающую конструкцию устройства для управления работой системы топливного элемента согласно настоящему изобретению.

Как показано на Фиг.3, устройство для управления работой системой топливного элемента согласно настоящему изобретению содержит блок 500 определения количества воды, блок 600 определения температуры воды, блок 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии (выработкой электроэнергии) и блок 800 формирования команд на выработку электроэнергии.

Блок 500 определения количества воды установлен на трубопроводе отопления с горячей водой с тем, чтобы выявлять данные о количестве воды, а блок 600 определения температуры установлен в теплой воде отопления с тем, чтобы выявлять данные о температуре воды.

Блок 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии формирует модель потребления тепла пользователем на основании упомянутых данных о количестве воды и упомянутых данных о температуре воды и выдает сигнал управления количеством вырабатываемой электроэнергии для управления количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основании сформированной модели потребления тепла пользователем.

Блок 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии содержит блок 710 хранения, блок 720 формирования модели и блок 730 считывания количества вырабатываемой электроэнергии.

Блок 710 хранения сохраняет данные о количестве воды, данные о температуре воды, эталонную модель потребления тепла согласно сезону/дате/времени и количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее эталонной модели потребления тепла.

В качестве одного из примеров эталонная модель потребления тепла согласно сезону/дате/времени может быть сформирована производителем посредством эксперимента в процессе производства.

В качестве еще одного примера эталонная модель потребления тепла согласно сезону/дате/времени может быть сформирована пользователем на основе данных о количестве воды и данных о температуре воды, накопленных за определенное время.

Блок 720 формирования модели формирует модель потребления тепла пользователем на основе данных о количестве воды и данных о температуре воды.

Блок 730 считывания количества вырабатываемой электроэнергии сравнивает модель потребления тепла пользователем с эталонной моделью потребления тепла, сохраненной в блоке 710 хранения, и считывает количество вырабатываемой электроэнергии согласно результату сравнения.

Если модель потребления тепла пользователем согласуется с эталонной моделью потребления тепла, то блок 730 считывания количества вырабатываемой электроэнергии считывает количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее эталонной модели потребления тепла.

Если модель потребления тепла пользователем не согласуется с эталонной моделью потребления тепла, то блок 730 считывания количества вырабатываемой электроэнергии считывает количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее модели потребления тепла пользователем.

Блок 800 формирования команд на выработку электроэнергии подает в систему топливного элемента команду на выработку электроэнергии, соответствующую сигналу управления количеством вырабатываемой электроэнергии, выдаваемому из блока 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии.

Далее со ссылкой на Фиг.4 будет пояснено функционирование устройства для управления работой системы топливного элемента согласно настоящему изобретению.

Сначала блок 710 хранения сохраняет данные о количестве воды, данные о температуре воды, множество эталонных моделей потребления тепла согласно сезону/дате/времени и количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее этим многочисленным эталонным моделям потребления тепла.

В качестве одного примера эти многочисленные эталонные модели потребления тепла согласно сезону/дате/времени могут быть сформированы производителем посредством эксперимента в процессе производства.

В качестве еще одного примера эти многочисленные эталонные модели потребления тепла согласно сезону/дате/времени могут быть сформированы пользователем на основе данных о количестве воды и данных о температуре воды, накопленных за определенное время.

Затем блок 500 определения количества воды выявляет данные о количестве воды, а блок 600 определения температуры воды выявляет данные о температуре воды (SP1).

Затем блок 720 формирования модели анализирует данные о количестве воды и данные о температуре воды, накопленные за определенное время, и формирует модель потребления тепла пользователем на основе результата анализа (SP2).

Блок 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии сравнивает модель потребления тепла пользователем с многочисленными эталонными моделями потребления тепла, сохраненными в блоке 710 хранения, и управляет количеством вырабатываемой электроэнергии согласно результату сравнения (с SP3 по SP6).

Более конкретно, если модель потребления тепла пользователем согласуется с одной из многочисленных эталонных моделей потребления тепла (SP3), то блок 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии считывает количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее согласующейся эталонной модели потребления тепла (SP4), и управляет выработкой электроэнергии топливным элементом на основании считанного количества вырабатываемой электроэнергии (SP5).

Наоборот, если модель потребления тепла пользователем не согласуется с эталонными моделями потребления тепла, блок 700 управления количеством вырабатываемой электроэнергии управляет количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основании модели потребления тепла пользователем (SP6).

В устройстве для управления работой системы топливного элемента и способе такого управления согласно настоящему изобретению выявляются данные о потреблении тепла, накопленные за определенное время с тем, чтобы быть сохраненными, формируется модель потребления тепла пользователем на основе этих сохраненных данных, и сформированная модель потребления тепла пользователем применяется к выработке электроэнергии топливным элементом. Соответственно коэффициент полезного действия системы топливного элемента по настоящему изобретению может быть улучшен.

Так как настоящее изобретение может быть воплощено в нескольких различных формах без отклонения от его объема и существенных признаков, также должно быть понятно, что вышеописанные варианты воплощения не ограничены какими бы то ни было подробностями предшествующего описания, если не указано иное, а скорее должны трактоваться более широко в пределах его сущности и объема, которые определены в прилагаемой формуле изобретения, и, следовательно, все изменения и модификации, которые попадают в границы и пределы формулы изобретения, или в эквиваленты таких границ и пределов, поэтому подразумеваются охваченными прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к системе топливного элемента, а более конкретно - к устройству для управления работой системы топливного элемента и к способу такого управления. Согласно изобретению выявляются данные о потреблении тепла, накопленные за определенное время с тем, чтобы быть сохраненными, формируется модель потребления тепла пользователем на основе этих сохраненных данных, и сформированная модель потребления тепла пользователем применяется к выработке электроэнергии топливным элементом. Техническим результатом является улучшение коэффициента полезного действия системы топливного элемента. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для управления работой системы топливного элемента, содержащее блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии для формирования модели потребления тепла пользователем и вывода сигнала управления количеством вырабатываемой электроэнергии для управления количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основании сформированной модели потребления тепла пользователем; блок формирования команд на выработку электроэнергии для подачи в топливный элемент команды на выработку электроэнергии, соответствующей сигналу управления количеством вырабатываемой электроэнергии, выдаваемому из блока управления количеством вырабатываемой электроэнергии.2. Устройство по п.1, в котором блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии формирует модель потребления тепла пользователем на основании данных о количестве воды и данных о температуре воды, выявленных блоками, установленными на трубопроводе отопления с горячей водой, за определенное время.3. Устройство по п.1, в котором блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии содержит блок хранения для сохранения данных о количестве воды и данных о температуре воды, выявленных блоками, установленными на трубопроводе отопления с горячей водой, множества эталонных моделей потребления тепла согласно сезону/дате/времени и количества вырабатываемой электроэнергии, соответствующего каждой из многочисленных эталонных моделей потребления тепла; блок формирования модели для формирования модели потреблении тепла пользователем на основе упомянутых данных о количестве воды и упомянутых данных о температуре воды; блок считывания количества вырабатываемой электроэнергии для сравнения модели потребления тепла пользователем, сформированной блоком формирования модели, с многочисленными эталонными моделями потребления тепла, сохраненными в блоке хранения, и считывания количества вырабатываемой электроэнергии согласно результату сравнения.4. Устройство для управления работой системы топливного элемента, содержащее блок определения количества воды, установленный на трубопроводе отопления с горячей водой, для выявления данных о количестве воды; блок определения температуры воды, установленный на трубопроводе отопления с горячей водой, для выявления данных о температуре воды; блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии для формирования модели потребления тепла пользователем и вывода сигнала управления количеством вырабатываемой электроэнергии для управления количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основе сформированной модели потребления тепла пользователем; блок формирования команд на выработку электроэнергии для подачи в топливный элемент команды на выработку электроэнергии, соответствующей сигналу управления количеством вырабатываемой электроэнергии, выдаваемому из блока управления количеством вырабатываемой электроэнергии.5. Устройство по п.4. в котором блок управления количеством вырабатываемой электроэнергии содержит блок хранения для сохранения упомянутых данных о количестве воды, упомянутых данных о температуре воды, множества эталонных моделей потребления тепла согласно сезону/дате/времени и количества вырабатываемой электроэнергии, соответствующего каждой из многочисленных эталонных моделей потребления тепла; блок формирования модели для формирования модели потребления тепла пользователем на основе упомянутых данных о количестве воды и упомянутых данных о температуре воды; блок считывания количества вырабатываемой электроэнергии для сравнения модели потребления тепла пользователем, сформированной блоком формирования модели, с многочисленными эталонными моделями потребления тепла, сохраненными в блоке хранения, и считывания количества вырабатываемой электроэнергии согласно результату сравнения.6. Устройство по п.5, в котором в том случае, если модель потребления тепла пользователем согласуется с одной из эталонных моделей потребления тепла, блок считывания количества вырабатываемой электроэнергии считывает количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее согласующейся эталонной модели потребления.7. Устройство по п.5, в котором в том случае, если модель потребления тепла пользователем не согласуется с эталонными моделями потребления тепла, блок считывания количества вырабатываемой электроэнергии считывает количество вырабатываемой электроэнергии, соответствующее модели потребления тепла пользователем.8. Устройство по п.5, в котором эталонная модель потребления тепла согласно сезону/дате/времени сформирована производителем посредством эксперимента в процессе производства.9. Устройство по п.5, в котором эталонная модель потребления тепла согласно сезону/дате/времени формируется пользователем на основе упомянутых данных о количестве воды и упомянутых данных о температуре воды, накопленных за определенное время.10. Способ управления работой системы топливного элемента, включающий в себя выявление данных о количестве воды и данных о температуре воды блоками, установленными на трубопроводе отопления с горячей водой; формирование модели потребления тепла пользователем на основе выявленных данных о количестве воды и данных о температуре воды; считывание количества вырабатываемой электроэнергии на основании модели потребления тепла пользователем и, тем самым, управление количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии.11. Способ по п.10, в котором этап управления количеством вырабатываемой электроэнергии включает в себя сравнение модели потребления тепла пользователем с многочисленными эталонными моделями потребления тепла; если модель потребления тепла пользователем согласуется с одной из эталонных моделей потребления тепла, то считывание количества вырабатываемой электроэнергии, соответствующего согласующейся эталонной модели потребления, посредством блока считывания количества вырабатываемой электроэнергии.12. Способ по п.11, дополнительно включающий в себя управление количеством вырабатываемой топливным элементом электроэнергии на основе модели потребления тепла пользователем, если эта модель потребления тепла пользователем не согласуется с эталонными моделями потребления тепла.13. Способ по п.10, дополнительно включающий в себя сохранение множества эталонных моделей потребления тепла согласно сезону/дате/времени на основе упомянутых данных о количестве воды и упомянутых данных о температуре воды, накопленных за определенное время; сохранение количества вырабатываемой электроэнергии, соответствующего каждой из многочисленных моделей потребления тепла.14. Способ по п.13, в котором многочисленные эталонные модели потребления тепла согласно сезону/дате/времени формируются производителем посредством эксперимента в процессе производства.15. Способ по п.13, в котором многочисленные эталонные модели потребления тепла согласно сезону/дате/времени формируются пользователем на основе упомянутых данных о количестве воды и упомянутых данных о температуре воды, накопленных за определенное время.