ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2016 года по МПК H01M8/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к генератору электрической мощности на топливных элементах и способу управления им.

Предшествующий уровень техники

Генераторы электрической мощности на топливных элементах (источники бесперебойного питания, ИБП) для стационарного использования, имеющие низкую мощность (5-20 кВт), основанные на использовании топливных элементов типа протонообменных мембран (ПОМ), в которых водород используется в качестве топлива, обычно сконструированы для приложений, связанных с резервированием. Иными словами, эти системы работают в почти неизменном состоянии рабочей «летаргии» (состоянии готовности), но должны легко активироваться за очень короткое время при безопасных и надежных условиях, чтобы гарантировать, что потребности нагрузки в электрической мощности будут удовлетворены в случае аварии.

Поскольку длительное и/или частое использование этих генераторов не требуется, по меньшей мере, в принципе, установка сложных систем для хранения и подачи водорода, таких как системы испарения жидкого водорода, в которых водород хранится при криогенных температурах, экономически не эффективна.

Кроме того, простейшие системы для хранения и подачи чаще всего используются в полевых условиях, в которых водород берут из комплектов газовых баллонов под очень высоким давлением, поэтому возникают проблемы безопасности, которые часто недооцениваются и которые затрагивают их установку, управление и техническое обслуживание.

Чтобы устранить эти недостатки, в полевых условиях применили рабочую практику структурного соединения и функциональной связи батареи топливных элементов генератора электрической мощности со средствами, находящимися на месте проведения работ, для генерирования газообразного топлива. В частности, для случаев, когда элементы используют водород в качестве топлива, известны генераторы электрической мощности на топливных элементах, содержащие электролизер для выработки водорода. Типичная конфигурация такого генератора электрической мощности показана на фиг.1.

Фиг.1 схематически показывает генератор 1 электрической мощности на топливных элементах для стационарного использования, обладающий малой мощностью, который содержит электролизер 2, сконфигурированный с возможностью принимать электрическую мощность и воду и преобразовывать последнюю в два ее компонента - водород и кислород. Генератор дополнительно содержит баки 3, 4, в которых хранятся водород и кислород, вырабатываемые электролизером 2. Генератор 1 содержит батарею 5 топливных элементов, в которую при использовании подают соответствующие потоки водорода и кислорода, забираемые из баков 3, 4.

Поскольку топливные элементы, пакетированные для формирования батареи 5, должны работать в пределах диапазона температуры, оптимального для их правильной работы, батарею 5 при использовании предпочтительно поддерживают, по существу, при постоянной температуре (обычно в пределах диапазона от 40 до 80°C). С этой целью генератор 1 содержит средства 10 для рассеивания тепла, вырабатываемого реакцией окисления, которая происходит в топливных элементах. Как правило, эти средства 10 рассеяния состоят из одного или более надлежащим образом расположенных вентиляторов V1, V2.

Следовательно, когда генератор 1 мощности активируют для удовлетворения электрических потребностей нагрузки 6, генератор 1 потребляет водород и кислород, ранее сохраненные в баках 3, 4, которые могут пополняться электролизером 2, например, когда генератор 1 мощности возвращен в состояние резервирования.

Также существует оптимальный рабочий диапазон температуры для электролизера 2, составляющий от около 40 до около 80°C. Однако при запуске, а значит, и в течение первых минут работы электролизер 2 вынужден работать при температуре окружающей среды, т.е. гораздо ниже оптимального диапазона температуры. Это значительно снижает его КПД, и водород и кислород выводятся в ущерб потреблению электрической мощности, затрачиваемой на электролиз, и с нежелательным увеличением времени, необходимого для восстановления содержания водорода и кислорода в баках 3, 4 ввиду нового вступления в процесс генератора 1.

Поэтому в данной области техники существует потребность в том, чтобы предусмотреть генератор электрической мощности на топливных элементах такого типа, который содержит средства, находящиеся на месте проведения работ, для генерирования газообразного топлива, что дает возможность оптимизировать рабочие условия упомянутых средств, в частности в фазе холодного запуска генератора.

В полевых условиях также существует дополнительная потребность в том, чтобы обеспечить генератор электрической мощности на топливных элементах типа, который содержит средства, находящиеся на месте проведения работ, для генерирования газообразного топлива, способный снизить потери энергии и увеличить общий КПД процесса на месте проведения работ, заключающегося в генерировании реагентов и последующем преобразовании химической энергии самих реагентов в электрическую мощность.

Например, в документе US 6660417 предложено оснастить генератор электрической мощности на топливных элементах устройством для передачи тепла, вырабатываемого в топливном элементе при генерировании электрической мощности в электролизер.

Более конкретно, в документе US 6660417 делается ссылка на конфигурацию, предусматривающую первый период (три часа), в течение которого генератор используется для генерирования электрической мощности, подаваемой на нагрузку, и второй период (восемь часов), в течение которого электрическая мощность подается в электролизер для генерирования водорода.

В документе US 6660417 также предложена транспортировка, в течение первого периода, воды, нагреваемой за счет протекания через контур охлаждения топливного элемента, в бак хранения. Документ US 6660417 предлагает затем, в течение второго периода, транспортировать нагретую воду, собранную в баке хранения, в электролизер.

Более конкретно, в первом варианте осуществления нагретую воду используют для выведения тепла в электролизер. Во втором варианте осуществления нагретую воду вместо этого подают непосредственно в электролизер и подвергают процессу электролиза.

Однако решение согласно документу US 6660417 имеет несколько недостатков.

Во-первых, следует отметить, что объем воды, необходимый для отвода избыточного тепла, вырабатываемого в топливном элементе в течение первого периода, обычно очень велик, и что вследствие этого необходим очень большой бак для ее хранения, а это оказывает негативное влияние на компактность системы в целом. Например, для утилизации избыточного тепла порядка 1 кВт в течение 3 ч и в предположении, что воду берут при температуре от 25 до 55°C, потребовался бы объем воды примерно 86 л. Таким образом, система должна содержать бак хранения, выполненный с возможностью вмещать объем воды, по меньшей мере, около 90-100 л.

Этот аспект, в частности, нежелателен, особенно для приложений, связанных с резервированием, в которых генератор на топливных элементах является источником электрической мощности, альтернативным основному источнику мощности (например, электрической сети), а поскольку генератор активируют лишь в аварийных условиях, он предпочтительно является вспомогательным компонентом, который можно с удобством располагать в пределах пространств, предназначенных для других видов деятельности (производства, хранения и т.д.).

Кроме того, номинальные размеры бака зависят непосредственно от конкретной длительности соответствующих периодов включения-выключения генератора на топливных элементах и электролизера. Поэтому такая система не очень подходит для приложений, связанных с резервированием, в которых длительность соответствующих периодов включения-выключения - как генератора на топливных элементах, так и электролизера - нельзя однозначно оценить заранее, а количество вступлений в процесс генератора, а значит, и периодов включения-выключения - в сутки в действительности становится непредсказуемым. Номинальный объем бака мог бы на самом деле оказаться неподходящим для реальных рабочих условий.

Более того, стоит отметить, что, как предлагается в документе US 6660417, во время эксплуатации топливного элемента в системе аккумулируется значительное количество тепла, которое, в сущности, не рассеивается или не выдается до следующего периода активации электролизера. Это обстоятельство, в частности, нежелательно для компактных систем, которые, помимо генератора мощности, содержат дополнительные компоненты, нуждающиеся в непрерывном охлаждении (например, электронные компоненты системы управления и т.д.). Фактически присутствие такого большого количества тепла, запасенного в системе, в частности, затрудняет эффективное рассеивание потоков другого, локально вырабатываемого тепла.

И наконец, стоит принять во внимание, что процесс электролиза теоретически является эндотермическим, если его проводят в условиях обратимости. В частности, необходимость подвода тепла в электролизер является конкретной и значительной во время связанной с ним фазы запуска. Однако ввиду обычно высокой степени необратимости реального процесса, в свою очередь, подверженного явлению поляризации, на практике обычно возникают обстоятельства, при которых электролизер должен непрерывно выдавать тепло в окружающую среду, чтобы поддерживаться при требуемой рабочей температуре, работая на полную мощность. Вместо этого конфигурация, предложенная в документе US 6660417, обуславливает теплопередачу в электролизер в течение всей продолжительности соответствующего рабочего периода.

Краткое изложение существа изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить генератор электрической мощности на топливных элементах типа, который содержит средства, находящиеся на месте проведения работ, для генерирования газообразного топлива, что дает возможность просто и экономически эффективно преодолеть недостатки, связанные с известными решениями.

В частности, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить генератор электрической мощности на топливных элементах типа, который содержит средства, находящиеся на месте проведения работ, для генерирования газообразного топлива, в частности, для приложений, связанных с резервированием, выполненный с возможностью удовлетворения потребностей вышеупомянутой системы в энергии и управлении, гарантируя при этом возможность ограничения габаритного размера системы и осуществляемого в широких пределах управления вовлекаемыми потоками тепла, как в течение фазы запуска различных устройств, так и в течение соответствующей фазы работы на полной мощности. Эти фазы на самом деле характеризуются взаимно различными по своей природе условиями процесса и потребностями.

Вышеупомянутая задача решается посредством настоящего изобретения, поскольку оно относится к генератору электрической мощности на топливных элементах, как определено в п.1 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 схематически изображает генератор электрической мощности на топливных элементах в соответствии с известным уровнем техники; и

фиг.2 схематически изображает генератор электрической мощности на топливных элементах в соответствии с изобретением.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.2 позиция 1 обозначает в целом генератор электрической мощности на топливных элементах в соответствии с изобретением.

Генератор 1 содержит множество топливных элементов, пакетированных для формирования батареи 5, гидравлически соединенной с баками 3, 4, из которых он принимает при использовании соответствующие потоки газообразного топлива и окисляющего газа, либо чистые, либо в виде газообразной смеси, для выработки электрической мощности, подаваемой на нагрузку 6.

Генератор 1 дополнительно содержит средства 2, находящиеся на месте проведения работ, для генерирования газообразного топлива, подаваемого в батарею 5.

В иллюстрируемом случае средства 2 для генерирования газообразного топлива содержат электролизер, сконфигурированный с возможностью принимать электрическую мощность и воду и преобразовывать последнюю в два ее компонента - водород и кислород, - которые хранятся в соответствующих баках 3, 4. Таким образом, генератор 1 использует водород как газообразное топливо и кислород как окисляющий газ.

Генератор 1 преимущественно содержит гидравлический контур 7 для охлаждения батареи 5, внутри которого циркулирует текучая среда теплоносителя, такая как вода, для отвода, по меньшей мере, части тепла, локально вырабатываемого за счет реакции окисления, от батареи 5.

Более того, генератор 1 содержит гидравлический контур 8 для нагревания электролизера 2, внутри которого циркулирует текучая среда теплоносителя, такая как вода, для подачи в электролизер 2, по меньшей мере, части тепла, необходимого для поддержания температуры электролизера в пределах оптимального рабочего диапазона. Для этой цели генератор 1 преимущественно дополнительно содержит теплообменник 9, в котором гидравлические контуры 7, 8 связаны гидравлически, и поэтому получается тепловая интеграция между батарей 5 и электролизером 2. Иными словами, по меньшей мере, часть избыточного тепла, вырабатываемого внутри батареи 5 за счет реакции окисления, отводится и с удобством передается в электролизер 2.

Более конкретно, если генератор 1 мощности представляет собой генератор, разработанный для приложений, связанных с резервированием, т.е. его активируют, чтобы удовлетворить потребности нагрузки 6 в мощности в случае аварийной ситуации, например аварийного прерывания энергоснабжения, и если аварийная ситуация является относительно короткой (например, порядка 10 мин), количество тепла, обмениваемое теплообменником 9, а также в силу значительной тепловой мощности текучей среды теплоносителя (воды) между гидравлическими контурами 7 и 8, по существу, достаточно для утилизации избыточного тепла, вырабатываемого внутри батареи 5 за счет реакции окисления, т.е. для поддержания батареи 5 в пределах оптимального рабочего диапазона. Упомянутое отведенное тепло передается в электролизер 2, который вследствие этого преимущественно поддерживается в пределах соответствующего оптимального рабочего диапазона температуры.

Более того, генератор 1 предпочтительно содержит средства 10 для рассеивания тепла, вырабатываемого за счет реакции окисления, проходящей внутри батареи 5, которые содержат, например, один или более надлежащим образом расположенных вентиляторов V1, V2.

В частности, вторые средства 10 рассеивания активируют, когда аварийная ситуация, т.е. период активности генератора 1, длится относительно долгое время (например, аварийное прерывание энергоснабжения дольше 10 минут), так что избыточное тепло, выработанное внутри батареи 5 реакцией окисления, частично рассеивается и частично передается в гидравлический контур 8, а значит, и в электролизер 2, который преимущественно поддерживается в пределах соответствующего оптимального рабочего диапазона температуры.

Генератор 1 предпочтительно содержит блок управления (не показан), запрограммированный на управление гидравлическими контурами 7 и 8 и теплообменником 9, чтобы поддерживать электролизер в пределах оптимального рабочего диапазона температуры. В частности, блок управления подключен к средствам для детектирования и передачи значения температуры в батарее 5 и электролизере 2, а также к соответствующим средствам отсечки потоков текучей среды теплоносителя в гидравлических контурах 7 и 8.

Более конкретно блок управления запрограммирован на регулирование потоков текучей среды теплоносителя в гидравлических контурах 7 и 8, а значит, также КПД и объема теплообмена в теплообменнике 9, для эффективной теплопередачи от батареи 5 к электролизеру 2 и поддержания температуры обоих в пределах соответствующих оптимальных рабочих диапазонов температуры.

Кроме того, блок управления подключен к средствам 10 рассеивания, которые блок управления активирует, когда детектирует, что температура батареи 5 превышает предварительно заданное пороговое значение. При вовлекаемых потоках тепла этот случай обычно возникает, когда рабочий период генератора 1, т.е. батареи 5, для выработки электрической мощности, подаваемой на нагрузку 6, составляет более десяти минут (длительное аварийное прерывание энергоснабжения).

При использовании, когда генератор 1 активируют для запитывания электрической нагрузки, соответствующие потоки водорода и кислорода направляются в батарею 5 из баков 3, 4. Реакция окисления, которая происходит в батарее 5, вырабатывает тепло, которое, по меньшей мере, частично отводится потоком текучей среды теплоносителя, циркулирующим внутри гидравлического контура 7. В теплообменнике 9 упомянутое тепло отводится в поток текучей среды теплоносителя, циркулирующий внутри гидравлического контура 8, и каскадно в электролизер 2, который вследствие этого поддерживается при температуре, находящейся в рабочем диапазоне температуры, оптимальном для эксплуатации электролизера.

В случае относительно короткого периода работы генератора 1 (т.е. батареи 5) во время (например, порядка 10 минут) выработки электрической мощности количество тепла, обмен которым посредством теплообменника 9, а также за счет значительной тепловой мощности текучей среды теплоносителя (воды) происходит между гидравлическими контурами 7 и 8, по существу, является достаточным для отвода избыточного тепла, вырабатываемого внутри батареи 5 за счет реакции окисления, вследствие чего батарея 5 поддерживается в пределах оптимального рабочего диапазона температуры. Такое отведенное тепло передается в электролизер 2, который, таким образом, преимущественно поддерживается в пределах соответствующего оптимального рабочего диапазона температуры.

В случае длительной работы генератора 1 (батареи 5) для выработки электрической мощности вторые средства 10 рассеивания также активируются, так что избыточное тепло, вырабатываемое внутри батареи 5 реакцией окисления, частично рассеивается и частично передается в гидравлический контур 8 и, тем самым, в электролизер 2. Таким образом, и батарея 5, и электролизер 2 преимущественно поддерживаются в пределах соответствующих оптимальных рабочих диапазонов температуры.

Поэтому когда генератор 1 приводится в состояние готовности, например сразу же после того, как аварийное прерывание энергоснабжения, определившее его активацию для питания электрической нагрузки, завершилось, электролизер 2 имеет идеальную температуру при работе для выработки водорода и кислорода из воды, чтобы пополнить содержимое баков 3, 4 ввиду последующего вступления в процесс генератора 1.

Таким образом, значительно повышается тепловая интеграция и кпд генератора 1, в частности, количество тепловой мощности, вырабатываемой в батарее 5 реакцией окисления, больше не рассеивается, если это не происходит лишь частично, когда период работы генератора 1 выходит за пороговое время (например, порядка 10 минут), но преимущественно восстанавливается для использования внутри самого генератора 2, а более конкретно передается в электролизер 2.

Соответственно наиболее эффективная тепловая интеграция системы сочетается с преимуществом поддержания электролизера 2 в пределах оптимального рабочего диапазона температуры.

В конце аварийной ситуации, т.е. когда работу батареи 5 прерывают, а электролизер 2 запускают для пополнения содержимого в баках 3, 4, электролизер 2 сразу же начинает работать в условиях, которые соответствуют максимальным КПД и выходной мощности, тем самым исключая переходный процесс с низким КПД, связанный с вышеописанной традиционной конфигурацией.

Общий КПД всего процесса генерирования и потребления реагентов преимущественно увеличивается, так как вследствие увеличения степени тепловой интеграции снижаются потери энергии и стимулируется эксплуатация в условиях КПД, максимального для большинства компонентов генератора 1.

Помимо этого, по меньшей мере, когда период работы генератора не выходит за пределы заданного порогового времени, не требуется более активировать средства 10 рассеивания, поскольку количество тепла, обмен которого осуществляется в теплообменнике 9, достаточно для утилизации избыточного тепла, вырабатываемого внутри батареи 5, что приводит к получению значительного сокращения потреблений, связанных со вспомогательными компонентами генератора 1, и в то же время к значительному сокращению шума и износа самих компонентов.

Преимущественно управление температурой оказывается эффективнее и точнее, поскольку управление температурой батареи 5 осуществляют за счет отвода тепла посредством текучей среды теплоносителя, в частности, когда используют текучую среду теплоносителя с большой тепловой инерцией, например, воду.

Кроме того, габаритные размеры и объем генератора 1 можно легко ограничить, гарантируя при этом удовлетворительное управление теплообменом в процессе, поскольку термическая связь между батареей 5 и электролизером 2 поддерживается посредством двух разных контуров 7 и 8 и без размещения между ними бака хранения текучей среды теплоносителя.

Возможность ограничения габаритных размеров генератора 1, гарантируемая изобретением, также выгодна в перспективе дальнейшего встраивания в рамках одной системы генератора 1 с другими возможными вспомогательными компонентами, поскольку больше пространства становится доступным для их введения. Более того, если вспомогательные компоненты также придется охлаждать, тепловая интеграция, гарантируемая генератором 1 в соответствии с изобретением, также может оказаться выгодной с точки зрения объединенного управления всем рассеиванием тепла.

В заключение отметим очевидность того, что в рамках объема защиты согласно прилагаемой формуле изобретения в описанную и проиллюстрированную здесь систему можно внести изменения и вариации.

Изобретение относится к устройствам генерирования электрической мощности. Генератор электрической мощности содержит множество топливных элементов, пакетированных в батарею и сконфигурированных с возможностью запитывать электрическую нагрузку, причем генератор содержит средства для генерирования газообразного топлива, подаваемого в батарею, и средства для отвода по меньшей мере части потока тепла, генерируемого в батарее вследствие потребления упомянутого газообразного топлива, и отличается тем, что содержит нагревательные средства, сконфигурированные с возможностью поддерживать упомянутые средства для генерирования газообразного топлива в пределах предварительно заданного диапазона температуры, и содержит средства для передачи по меньшей мере части упомянутой отводимой части потока тепла, генерируемого в батарее, от упомянутых отводящих средств к упомянутым средствам для генерирования газообразного топлива. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор (1) электрической мощности, содержащий множество топливных элементов, пакетированных в батарею (5) и сконфигурированных с возможностью запитывать электрическую нагрузку (6), причем генератор (1) содержит средства (2) для генерирования газообразного топлива, подаваемого в батарею (5), и средства (7, 10) для отвода по меньшей мере части потока тепла, генерируемого в батарее (5) вследствие потребления упомянутого газообразного топлива, при этом генератор (1) содержит нагревательные средства (8, 9), сконфигурированные с возможностью поддерживать упомянутые средства (2) для генерирования газообразного топлива в предварительно заданном диапазоне температуры, и содержит средства (9) для передачи по меньшей мере части упомянутой отводимой части потока тепла, генерируемого в батарее (5), от упомянутых отводящих средств (7) к упомянутым средствам (2) для генерирования газообразного топлива, отличающийся тем, что упомянутые средства (7) для отвода по меньшей мере части упомянутого потока тепла, генерируемого в батарее (5), содержат первый гидравлический контур, термически соединенный с батареей (5) и через который проходит поток первой текучей среды теплоносителя, и тем, что упомянутые нагревательные средства (8, 9) содержат второй гидравлический контур (8), термически соединенный со средствами (2) для генерирования газообразного топлива и через который проходит поток второй текучей среды теплоносителя.

2. Генератор по п.1, в котором средства (9) для передачи по меньшей мере части упомянутой отводимой части потока тепла, генерируемого в батарее (5), содержат теплообменник.

3. Генератор по п.1 или 2, в котором газообразным топливом является водород, а средства (2) для генерирования газообразного топлива содержат электролизер, сконфигурированный с возможностью принимать воду и электрическую мощность и генерировать водород и кислород.

4. Генератор по п.1 или 2, в котором средства (7, 10) для отвода по меньшей мере части потока тепла, генерируемого в батарее (5), содержат средства (10) рассеивания тепла.

5. Генератор по п.1 или 2, содержащий блок управления, запрограммированный на управление отводящими средствами (7, 10) и нагревательными средствами (8, 9) с тем, чтобы поддержать средства (2) для генерирования газообразного топлива в пределах упомянутого предварительно заданного диапазона температуры.

6. Способ управления генератором электрической мощности, имеющим топливные элементы, пакетированные в батарею (5) и сконфигурированные с возможностью запитывать электрическую нагрузку (6), причем генератор содержит средства (2) для генерирования газообразного топлива, подаваемого в батарею (5), и средства (7, 10) для отвода по меньшей мере части потока тепла, генерируемого в батарее (5) вследствие потребления упомянутого газообразного топлива, содержащий этапы, на которых:
а) питают батарею (5) потоком газообразного топлива для генерирования электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой (6);
b) отводят по меньшей мере часть потока тепла, генерируемого батареей (5) вследствие потребления упомянутого газообразного топлива, посредством первого потока текучей среды теплоносителя;
с) передают посредством второго потока текучей среды-теплоносителя по меньшей мере часть потока тепла, генерируемого в батарее (5), к упомянутым средствам (2) для генерирования газообразного топлива, чтобы поддержать их в пределах предварительно заданного диапазона температуры, причем упомянутые первый и второй потоки текучей среды теплоносителя соединены термически и разделены материально.

7. Способ по п.6, содержащий этап, на котором генерируют упомянутое газообразное топливо посредством электролитического процесса, проводимого в упомянутых средствах (2), причем упомянутый предварительно заданный диапазон температуры составляет от 40 до 80°C.

8. Способ по п.6 или 7, содержащий этап, на котором поддерживают упомянутую батарею (5) при температуре от 40 до 80°C.