Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента



Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента
Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента
Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента
Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента
Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента

 


Владельцы патента RU 2488922:

ФРОНИУС ИНТЕРНЭШНЛ ГМБХ (AT)

Изобретение относится к способу и устройству для выведения отработанных и, по меньшей мере, отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента (1) в системе (20) топливных элементов с сенсорным устройством (30) для контролирования рабочих сред, выведенных из рабочего пространства (27). Чтобы отработанные среды вывести из системы топливных элементов независимо от работы системы топливных элементов и с учетом предписаний по безопасности, предусмотрена зона (32) для смешивания рабочих сред с продувочной средой (28) с образованием отработанного воздуха (33), причем рабочее пространство (27) закрыто вентилятором (29) и сенсорное устройство (30), если смотреть в направление потока отработанного воздуха (33), расположено позади зоны (32) смешивания, а в зоне (32) смешивания жидкую часть рабочих сред направляют и испаряют через охладитель, термически контролируемый устройством для испарения. Повышение степени безопасности работы топливного элемента, а также постоянный контроль возможности появления неисправностей является техническим результатом предложенного изобретения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к способу выведения отработанных и, по меньшей мере, отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента в системе топливных элементов, причем рабочие среды из рабочего пространства системы топливных элементов перед выведением контролируются сенсорным устройством на их взрываемость.

Точно также изобретение относится к устройству для выведения отработанных и, по меньшей мере, отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента в системе топливных элементов с сенсорным устройством для контролирования выведенных из рабочего пространства рабочих сред на их взрываемость.

Из DE 10031238 A1 известно, что система топливных элементов продувается продувочной средой, так что система топливных блоков проветривается. Это осуществляется вентилятором во взрывозащищенном исполнении. Благодаря этому может предотвращаться концентрация водорода, которая может возникнуть, например, из-за утечек. Подобного рода концентрация распознается предпочтительно с помощью устройства сенсоров на водород.

Недостатком при этом является то, что система топливных элементов только продувается и распознается повышение содержания водорода. При этом могут распознаваться только утечки системы топливных элементов, которые повышают взрываемость продувочной среды. Это, правда, не происходит при нормальном режиме работы системы топливных элементов. Разумеется, по меньшей мере, при нормальном режиме работы системы топливных элементов с топливными элементами с РЕМ (полимерной электролитической мембраной) необходимо выведение в атмосферу способных взрываться составляющих водорода. Для выполнения предписаний по безопасности необходимо дополнительное устройство.

Из EP 1416567 известно устройство для обработки отработанных газов, в котором анодный трубопровод для отведенного из топливного элемента водорода направлен в разбавитель, в котором водород смешивается с частями воздуха из газового топлива. Смесь потоком отработанного газа катода выводится через сенсор.

Недостатком при этом является то, что поток отработанного газа катода непосредственно связан с работой системы топливных элементов, поэтому он не может регулироваться независимо от системы топливных элементов.

Задача изобретения заключается в том, чтобы независимо от работы системы топливных элементов и с учетом предписаний по безопасности осуществлять выведение из системы топливных блоков образованных и выведенных при работе топливного элемента способных взрываться составляющих рабочих сред. Недостатки известных способов или устройств должны при этом исключаться или, по меньшей мере, уменьшаться.

Задача изобретения в части, касающейся способа, решается с помощью того, что выведение осуществляется посредством вентилятора, расположенного между рабочим пространством и зоной смешивания, и вентилятором для проветривания через рабочее пространство просасывается продувочная среда, которая перед выведением в зоне смешивания смешивается с рабочими средами с образованием отработанного воздуха и этот отработанный воздух выводится из зоны смешивания. Предпочтительно выведение горючего газа не зависит от работы системы топливных элементов, так как вентилятор не оказывает никакого прямого влияния на работу системы топливных элементов. Способ может осуществляться очень просто. Так, рабочие среды перед выведением из системы топливных элементов смешиваются с продувочной средой и вместе выводятся. Благодаря этому взрываемость рабочих сред перед контролем, осуществляемым сенсорным устройством, уменьшается настолько, что ее можно безопасно и под контролем выводить из системы топливных элементов. При нормальном режиме работы системы топливных блоков взрываемость может постоянно удерживаться ниже предельного значения. Таким образом, могут представляться также текущие результаты измерения, так что опасность очень надежно может распознаваться на основании изменившихся результатов измерений. Но преимуществом является также то, что вентилятор приводится в действие или располагается таким образом, что рабочее пространство находится на всасывающей стороне вентилятора. Таким образом, с помощью сенсорного устройства могут распознаваться или контролироваться утечки водорода в рабочем пространстве, как, например, мембранные утечки, так как осуществляется общее выведение. Точно также благодаря этому система топливных элементов может включаться в безопасном состоянии. Благодаря тому, что зона смешивания находится на напорной стороне вентилятора и вентилятор, таким образом, отделяет рабочее пространство от зоны смешивания, рабочее пространство при нормальной работе не содержит каких-либо способных взрываться составляющих и одновременно продувается продувочной средой. Преимущественным образом вентилятор не находится под действием, по меньшей мере, частично конденсирующегося и скорее горячего отработанного воздуха катода, вследствие чего он нагружается меньше и его срок службы соответственно удлиняется. Мощность вентилятора может удерживаться на низком уровне, так как в выведение отработанного воздуха при известных обстоятельствах вносит свой вклад поток отработанного воздуха катода.

Поток отработанного воздуха преимущественно определяется потоком продувочной среды, регулируемым вентилятором. Таким образом, на смешивание рабочих сред с продувочной средой может оказываться влияние с помощью изменения потока продувочной среды, в частности объема потока.

Преимущественным образом вентилятор регулируется в зависимости от взрываемости отработанного воздуха.

Отработанные рабочие среды образуются, по меньшей мере, газообразной частью отработанного воздуха катода и способной взрываться газообразной частью анодной смеси.

Если в зоне смешивания способная взрываться и газообразная часть анодной смеси топливного элемента смешивается с продувочной средой и отработанным воздухом катода с образованием отработанного воздуха, то с одной стороны благодаря разбавлению продувочной средой происходит двукратное уменьшение взрываемости и с другой стороны благодаря отработанному воздуху катода осуществляется сведение к минимуму содержание кислорода. Точно также содержание влаги в отработанном воздухе катода противодействует взрываемости смеси.

Когда с помощью периодического добавления анодной смеси в зоне смешивания осуществляется подгонка регулирования вентилятора, взрываемость выведенного отработанного воздуха при нормальной работе может удерживаться на постоянном уровне, так как повышение взрываемости выравнивается с помощью периодического добавления анодной смеси.

Чтобы иметь возможность контроля функционирования вентилятора, может измеряться поток продувочной среды.

Преимущественным образом для пуска в эксплуатацию системы топливных элементов привлекается значение взрываемости выведенного отработанного воздуха.

Согласно другому признаку изобретения предусмотрено, что в или перед зоной смешивания жидкая часть отработанных рабочих сред с помощью сепаратора отделяется от газообразной части отработанных рабочих сред и газообразные части отводятся независимо от работы системы топливных элементов.

При этом с отработанными рабочими средами в сепараторе, расположенном перед зоной смешивания, может осуществляться предварительное смешивание и предварительно смешанные отработанные рабочие среды направляются в зону смешивания.

Если в зоне смешивания жидкая часть рабочих сред направляется и испаряется через охладитель с термически контролируемым испарительным устройством, жидкая часть может выводиться из топливного элемента вместе с газообразной частью.

Задача изобретения решается также с помощью названного выше устройства для выведения отработанных и, по меньшей мере, отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента в системе топливных элементов, в котором предусмотрена зона смешивания для смешивания рабочих сред с продувочной средой с образованием отработанного воздуха, причем рабочее пространство закрыто вентилятором и сенсорное устройство расположено, если смотреть в направлении потока отработанного воздуха, позади зоны смешивания. Преимущества подобного рода устройства могут быть заимствованы из вышеупомянутого описания преимуществ способа.

Зона смешивания преимущественно расположена в канале, причем на конце канала, образованном в качестве выпуска рабочего пространства, смонтирован вентилятор и второй конец канала образован для вывода отработанного воздуха.

Согласно другой форме осуществления устройства, предложенного в соответствии с изобретением, между зоной смешивания и сенсорным устройством расположен охладитель с термически контролируемым испарительным устройством.

Настоящее изобретение более подробно поясняется с помощью приложенных схематических чертежей. Где показывают:

фиг.1 схематическая конструкция системы топливных элементов;

фиг.2 выведение отработанных рабочих сред, схематическое изображение;

фиг.3 принцип предложенного согласно изобретению выведения отработанных рабочих сред топливного элемента, схематическое изображение;

фиг.4 первая форма осуществления предложенного согласно изобретению выведения, схематическое изображение; и

фиг.5 вторая форма осуществления предложенного согласно изобретению выведения, схематическое изображение.

В качестве введения устанавливается, что одинаковые части примеров осуществления снабжаются одинаковыми позициями.

На фиг.1 изображен топливный элемент 1 для производства электрического тока из водорода 2 и кислорода 3 или воздуха 3. В принципе топливные элементы 1 представляют собой электрохимический генератор тока, которые вырабатывают электрический ток непосредственно в процессе химической реакции. Это осуществляется путем обратного преобразования электролитического разложения воды, при котором с помощью прохождения тока образуются газы водород 2 и кислород 3. В топливном элементе 1 таким образом происходит реакция рабочих сред водорода 2 и кислорода 3 друг с другом, вследствие чего вырабатывается электрический ток. Для этого к аноду 4 подводится водород 2 и к катоду 5 кислород 3, причем анод 4 и катод 5 разделены электролитом 6. Далее анод 4 и катод 5 на стороне, обращенной к электролиту 6, покрыты катализатором 7, по большей части платиной. Благодаря этому водород 2 может вступать в реакцию с кислородом 3, причем это осуществляется в процессе двух раздельных отдельных реакций на обоих электродах, аноде 4 и катоде 5.

К аноду 4 подводится водород 2, причем водород 2 вступает в реакцию на катализаторе 7 и каждая молекула водорода распадается на два атома водорода. Атом водорода имеет две составных части, отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный протон. При реакции каждый атом водорода отдает свой электрон. Положительно заряженные протоны диффундируют через электролит 6, который не пропускает отрицательно заряженные электроны, к катоду 5.

На катоде 5 или синхронно к водороду 2 на аноде 4 подводится кислород 3 или подводятся молекулы кислорода. Молекулы кислорода вступают в реакцию на катализаторе 7 и распадаются соответственно на два атома кислорода, которые осаждаются на катоде 5.

Таким образом, на катоде 5 осаждаются положительно заряженные протоны водорода 2, а также атомы кислорода и на аноде 4 отрицательно заряженные электроны водорода 2. Благодаря этому на катоде 5 возникает так называемый недостаток электронов и на аноде 4 так называемый избыток электронов. Таким образом, анод 4 соответствует отрицательному полюсу (-) и катод 5 положительному полюсу (+). Если оба электрода, т.е. анод 4 и катод 5 соединяют электрическим проводником 8, то электроны благодаря разнице потенциалов начинают течь по электрическому проводнику 8 от анода 4 к катоду 5. То есть имеет место электрический ток или постоянный ток, который может направляться потребителю 9, предусмотренному в проводнике 8. Потребитель 9 может быть образован, например батареей, которая аккумулирует произведенный ток, или преобразователем постоянного тока в переменный, который преобразует произведенный постоянный ток в переменный ток.

Два электрона, которые по электрическому проводнику 8 перенесены с анода 4 на катод 5, воспринимаются одним атомом кислорода на катоде 5 и становятся двукратно отрицательно заряженными ионами кислорода. Эти ионы кислорода объединяются с положительно заряженными протонами водорода 2, которые диффундированы через электролит 6 от анода 4 на катод 5, с образованием воды 10. Вода 10 в качестве так называемого конечного продукта реакции выделяется из катода 5.

В ячейке 11 топливного элемента 1 происходит реакция реакционных газов водорода 2 и кислорода 3, вследствие чего вырабатывается электрический ток. Ячейка 11 образуется анодом 4, катодом 5, электролитом 6 и катализатором 7. Если несколько ячеек 11 соединены друг с другом последовательно, то подобного рода конструкция в целом называется стек 12. Вследствие этого, таким образом, во время работы топливного элемента 1 стеком 12 вырабатывается электрический ток.

Благодаря реакции водорода 2 с кислородом 3 в отдельных ячейках стека 12 возникает тепло, которое должно отводиться. Это осуществляется через систему 13 охлаждения, которая в самой простой своей форме состоит из охладителя 14, вентилятора 15 и насоса 16 в контуре 17 охлаждения. При этом насос 16 прокачивает через стек 12 топливного элемента 1 средство охлаждения, имеющееся в контуре 17 охлаждения и в компенсационном бачке, например, в направлении, показанном стрелками. Охлаждающее средство 18 отбирает тепло у стека 12 и воспринимает его. Охладитель 14 в контуре 17 охлаждения, который охлаждается вентилятором 15, отбирает опять же тепло у охлаждающего средства 18 и отдает его окружающей среде, так что охлаждающее средство 18 может снова отбирать тепло у стека 12. Контур 17 охлаждения может быть отрегулирован таким образом, что охлаждающее средство 18 проходит охладитель 14 только в том случае, если охлаждающее средство 18 имеет определенную температуру. Это регулирование осуществляется соответственно этому через термостат 19.

Подобного рода система 20 топливных элементов может быть расположена в корпусе 21. При реальной работе топливного элемента 1, разумеется, поступающий на анод 4 водород 2 может расходоваться не полностью, так как кислород 3 - собственно в большинстве случаев воздух с соответствующими инертными газами (как азот, аргон и диоксид углерода) - от катода 5 через электролит 6 или электролитную мембрану 6 диффундирует к аноду и вступает в реакцию с водородом с образованием воды 10. Главным образом это достигается благодаря градиентам концентрации и давления между анодом 4 и катодом 5, а также благодаря очень малой толщине слоя (<100 µм) применяемых электролитных мембран 6. Соответственно этому точно также диффундирует водород 2 через мембрану 6 к катоду 5 и образуется вода 10. В принципе образующаяся на аноде 4 и катоде 5 вода 10 служит для их увлажнения. Однако так как вода 10 непрерывно получается благодаря реакции водорода 2 и кислорода 3, она накапливается на электродах и снижает, напряжение ячейки 11. Поэтому вода 10 должна удаляться или выводиться от электродов.

Теперь выведение от анода 4 осуществляется таким образом, что смесь 22 из воды 10, инертных газов и части водорода 2 через отводящий трубопровод 23 транспортируется в сборную емкость 24, как в последующем представлено на фиг.2. В донной части в сборной емкости 24 собирается вода 10 и часть инертных газов, жидкий конденсат 25, и остальная часть инертных газов, а также водород 2, в качестве газового компонента 26, в верхней области сборной емкости. Водород 2 или газовый компонент 26 может из сборной емкости 24 возвращаться назад на анод 4 топливного элемента. Конденсат 25, напротив, как вода 10 из катода 5, отводится из системы 20 топливных элементов. При этом с конденсатом 25 отводятся или выводятся также, по меньшей мере, части газового компонента 26. Но также из катода 5 с водой 10 выводится так называемый отработанный воздух катода, который образуется при реакции водорода 2 с воздухом. Эти отработанные и отчасти способные взрываться рабочие среды теперь должны надежно выводиться из системы 20 топливных элементов, чтобы больше не возникало никакой опасности взрыва. В принципе возврат и отвод осуществляются с помощью блоков регулирования, которые регулируются регулирующим устройством.

Часть системы 20 топливных элементов образуется рабочим пространством 27, как изображено на фиг.3-5. В рабочем пространстве находятся те компоненты, которые перерабатывают способные взрываться части рабочих сред и выводят отработанные рабочие среды. Этими компонентами являются, в частности, стек 12, сборная емкость 24 и система 13 охлаждения.

Согласно изобретению теперь предусмотрено, что способные взрываться части отработанных рабочих сред перед выведением с помощью вентилятора 29 в зоне 32 смешивания смешиваются с образованием отработанного воздуха 33, причем значение взрываемости отработанного воздуха 33 удерживается ниже предельного значения. При этом зона 32 смешивания вентилятором 29 отделена от рабочего пространства 27. Чтобы теперь в этом рабочем пространстве 27 не происходило какого-либо скопления способных взрываться частей отработанных рабочих сред, например, из-за утечек, рабочее пространство 27 продувается продувочной средой 28. Для этого продувочная среда 28 засасывается вентилятором 29 и им выдувается или выводится в зону 32 смешивания, так что отработанный воздух 33 может смешиваться - как позже описано в деталях. Затем отработанный воздух 33 из системы 20 топливных элементов продувается через сенсорное устройство 30. Сенсорное устройство 30 при этом расположено после вентилятора 29, т.е. на его напорной стороне, и контролирует выведенный отработанный воздух 33 на его взрываемость. Если она превышается, то управляющее устройство 31 на основе информации от сенсорного устройства 30 может, например, отключить систему 20 топливных элементов или предложить меры для снижения взрываемости. Вентилятор 29 имеет, предпочтительным образом, взрывозащищенное исполнение.

Теперь на фиг.3 схематически изображен предложенный в соответствии с изобретением способ, согласно которому продувочная среда 28 смешивается с отработанными и, по меньшей мере, отчасти способными взрываться рабочими средами с образованием отработанного воздуха 33. Рабочее пространство 27 имеет впуск 34 и выпуск 35 для продувочной среды 28'. Вентилятор 29 расположен в выпуске 35 рабочего пространства, так что продувочная среда 28 засасывается на впуске 34 и выдувается на выпуске 35. Предпочтительно впуск 34 и выпуск 35 расположены таким образом, что рабочее пространство 27 в основном полностью может продуваться или проветриваться продувочной средой 28. Например, это может быть реализовано с помощью диагонального расположения. При этом важно, что вентилятор 29 завершает рабочее пространство 27, так что выдуваемая вентилятором 29 продувочная среда 28 не может попасть назад в рабочее пространство 27. Рабочее пространство образует, таким образом, замкнутое воздушное пространство, которое от другой стороны вентилятора 29 отделено самим вентилятором. Таким образом, при необходимости продувочная среда 28 может выводить с собой гремучий газ, который образуется при зарядке батарей. Компенсационный бачок системы 13 охлаждения может также продуваться или проветриваться продувочной средой 28, так что образовавшиеся в нем благодаря диффузии газообразные и при случае способные взорваться части могут надежно отводиться. При продувке рабочего пространства 27, в частности, незначительные газообразные части отработанных рабочих сред, которые способны взрываться и могли появиться благодаря диффузии на механических соединениях, могут поглощаться продувочной средой 28 и достаточно разбавляться. Таким образом, продувочная среда 28, обогащенная способными взрываться частями, при нормальной работе не представляет никакой опасности. Из рабочего пространства 27, из сборной емкости 24 также отводится конденсат 25, содержащий долю газового компонента 26, и вода 10 с отработанным воздухом катода 5. При этом конденсат 25 выводится из сборной емкости 24 в основном периодически, в то время как вода 10 с отработанным воздухом катода выводится в основном непрерывно.

Согласно изобретению продувочная среда 28, конденсат 25 и вода 10 с отработанным воздухом катода направляются в зону 32 смешивания и перемешиваются друг с другом. Благодаря этому при нормальной работе системы 20 топливных элементов обеспечивается отношение в смеси между способными взорваться частями, продувочной средой 28, конденсатом 25 и отработанным воздухом катода, так что не превышается предельное значение для взрываемости. Эффективность перемешивания при этом достигается в основном таким образом, что продувочная среда 28 направляется в зону 32 смешивания с другой стороны, чем конденсат 25. Но принципиально на перемешивание может оказывать влияние также тот факт, каким образом продувочная среда 28 или отработанные рабочие среды направляются в зону 32 смешивания, например в определенной последовательности. Так, сначала в зону 32 смешивания может подаваться продувочная среда 28, потом конденсат 25 и в заключение отработанный воздух катода. Отсюда получается, что в частности, на выходе зоны 32 смешивания еще раз происходит смешивание с бедным кислородом отработанным воздухом катода. При этом газообразные части, т.е. продувочная среда 28 и газовый компонент 26 конденсата 25, содержат способные взрываться части, причем отработанный воздух катода имеет низкое содержание кислорода. Таким образом, благодаря смешиванию достигается, что содержащиеся способные взрываться части из отработанных рабочих сред, в частности, благодаря бедному кислородом отработанному воздуху катода, уменьшаются таким образом, что образовавшийся в зоне 32 смешивания отработанный воздух 33 может выводиться или выдуваться из системы 20 топливных элементов без других мероприятий, по меньшей мере, частично благодаря напору вентилятора 29.

При нормальной работе топливного элемента 1 в газовом компоненте 26 конденсата 25 имеется самая большая доля способных взрываться частей. Дополнительно способная взрываться доля конденсата 25 периодически повышается при так называемой «очистке», которая соответственно направляется в зону 32 смешивания, так что при этом при известных условиях в зоне 32 смешивания превышается предельное значение взрываемости. Разумеется, согласно изобретению способные взрываться части в зоне 32 смешивания сначала смешиваются с отработанным воздухом 33 и таким образом снижается их взрываемость, прежде чем они выводятся из системы 20 топливных элементов. Зона 32 смешивания может также рассматриваться в качестве буфера, с помощью которого выравнивается повышение взрываемости. Такая характеристика зоны 32 смешивания получается в основном благодаря тому, что в зоне 32 смешивания происходят завихрения, благодаря которым отработанный воздух 33 смешивается и затем выводится. При выведении отработанный воздух проводится мимо сенсорного устройства 30, с помощью которого может контролироваться взрываемость отработанного воздуха 33. Это необходимо для безопасности, например, для защиты от взрыва. Сенсорное устройство 30 передает измеренные значения взрываемости управляющему устройству 31, которое при превышении предельного значения взрываемости осуществляет соответствующие шаги - как, например, переключение на «безопасное состояние» или отключение. Точно также управляющее устройство 31 может регулировать вентилятор 29 таким образом, что повышается объем или скорость потока продувочной среды 28, так что снова достигается необходимое соотношение в смеси, чтобы значение взрываемости отработанного воздуха удержать соответственно на низком уровне.

Благодаря предложенному согласно изобретению способу при нормальной работе системы 20 топливных элементов взрываемость выведенного отработанного воздуха 33 благодаря смешиванию в зоне 32 смешивания также постоянно удерживается ниже предельного значения. Нормальная работа в основном определена так, что топливный элемент 1 вырабатывает ток и не имеется никаких неплотностей или утечек.

Таким образом, в зоне 32 смешивания благодаря смешиванию образуется газообразный отработанный воздух, который безопасно и без дополнительных мероприятий, как например сжигание, может выводиться из системы 20 топливных элементов.

В зоне 32 смешивания имеются также жидкие составляющие, представляемые конденсатом 25 и водой 10, которые могут отводиться двумя различными методами, описанными ниже.

При первом методе согласно фиг.4 в зоне смешивания интегрирован сепаратор, который непосредственно от зоны 32 смешивания отводит жидкие составляющие из системы топливных элементов. Так как жидкие составляющие тяжелее газообразных, они скапливаются в нижней области зоны 32 смешивания. Там соответственно расположен сепаратор 36, так что могут отводиться жидкие составляющие, которые символизированы водой 10. При отводе этих жидких составляющих в основном не требуются какие-либо мероприятия по безопасности в отношении взрываемости, так как способные взрываться составляющие пренебрежимо малы. Разумеется, также и здесь возможно расположить сепаратор 36 уже перед зоной 32 смешивания, так что в зону 32 смешивания попадают только газообразные части. Это может осуществляться через находящийся под разряжением сепаратор 36, так что уже в сепараторе 36 газовый компонент 26 конденсата 25 смешивается с отработанным воздухом катода. В этом случае говорится о предварительном смешивании. Для этого зона 32 смешивания может быть выполнена, например, таким образом, что она интегрирована в канале или трубе. Например, вентилятор 29 расположен на конце трубы, которая представляет выпуск 35, и всасываемая через систему 20 топливных элементов продувочная среда 28 выводится или выдувается из системы 20 топливных элементов через другой конец трубы. Зона 32 смешивания расположена в основном непосредственно после вентилятора 29 и образует в основном участок трубы, так что газообразные составляющие смешиваются с непрерывным потоком продувочной среды 28 и продуваются через сенсорное устройство 30.

Второй метод согласно фиг.5 использует для отвода жидких составляющих охладитель 14 топливного элемента 1, который образован с термически контролируемым испарительным устройством 37. Жидкие составляющие из зоны 32 смешивания направляются на это испарительное устройство 37 и там испаряются. Испарение осуществляется благодаря температуре охладителя 14, которая достигается с помощью охлаждения стека 12 системой 13 охлаждения. Таким образом, жидкие составляющие становятся паром и могут из зоны 32 смешивания выводиться с газообразными составляющими через сенсорное устройство 30. Соответственно этому газообразные и жидкие составляющие могут из зоны 32 смешивания одновременно направляться в испарительное устройство 37 и газообразные составляющие выводятся автоматически из зоны 32 смешивания через сенсорное устройство 30. Дополнительно происходит дальнейшее смешивание парообразных составляющих с отработанным воздухом 33, прежде чем произойдет выведение через сенсорное устройство 30.

В целом следует указать еще на то, что направление потока в основном задается вентилятором 29. Дополнительно это, разумеется, поддерживается направлением потока отработанного воздуха катода. Лишь выведение из сборной емкости 24 не зависит от этого, так как это предпочтительно осуществляется с помощью регулирования напора. В принципе вентилятор 15 охладителя 14 может брать на себя также функцию имеющего взрывозащищенное исполнение вентилятора 29. Таким образом, для системы 20 топливных элементов было бы достаточно вентилятора 15. На впуске 34 рабочего пространства 27 может быть расположено измерительное устройство, которое измеряет количество проходящей продувочной среды. С помощью подобного рода измерения обеспечивается, что система 20 топливных элементов также фактически проветривается, так что не может произойти никакого опасного скопления способных взрываться частей. Для этого измерительное устройство соответственно соединено с управляющим устройством 31. Таким образом, своевременно распознается и предотвращается опасность скопления способных взрываться частей. Эта измеренная величина может применяться в качестве дополнительного условия для вообще известной из уровня техники процедуры пуска в эксплуатацию системы 20 топливных элементов, благодаря чему с надежностью не выводятся способные взрываться части. Сенсорное устройство 30 имеет преимущественно датчик водорода, так как рабочая среда водород 3 представляет собой самый опасный источник. В этом случае датчик сенсорного устройства 30 приспособлен к рабочим средам топливного элемента 1.

Выдуваемый отработанный воздух 33 преимущественно направляется так, что он не может попасть к впуску 34 продувочной среды 28, что также может контролироваться измерительным устройством на впуске 34. Продувочная среда 28 может представлять среду из снабжения приточным воздухом, при котором в большинстве случаев привлекается воздух из окружающей среды. При этом продувочная среда 28 также соответственно фильтруется.

В принципе система 20 топливных элементов больше не находится в нормальном состоянии, если появляется неисправность, например, слишком высокая температура системы 13 охлаждения или процесса, негерметичность, дефектные клапаны (расстройство), дефектный стек 12 или подобное. Подобного рода ситуации распознаются сенсорным устройством 30. Например, может распознаваться также тенденция роста взрываемости, если взрываемость отработанного воздуха непрерывно повышается.

1. Способ выведения отработанных и, по меньшей мере, частично взрывчатых рабочих сред топливного элемента (1) в системе (20) топливных элементов, причем рабочие среды из рабочего пространства (27) системы (20) топливных элементов перед выведением контролируют сенсорным устройством (30) на их взрывчатость, и выведение осуществляют вентилятором (29), расположенным между рабочим пространством (27) и зоной (32) смешивания, причем вентилятором (29) для проветривания через рабочее пространство (27) засасывают продувочную среду (28), которую перед выведением в зоне (32) смешивания смешивают с рабочими средами с образованием отработанного воздуха (33), и этот отработанный воздух (33) выводят из зоны (32) смешивания, отличающийся тем, что в зоне (32) смешивания жидкую часть рабочих сред направляют и испаряют через охладитель (14) с термически контролируемым устройством (37) для испарения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток отработанного воздуха (33) определяют потоком продувочной среды (28), регулируемым вентилятором (29).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вентилятор (29) регулируют в зависимости от взрывчатости отработанного воздуха (33).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отработанные рабочие среды образуются, по меньшей мере, газообразной частью отработанного воздуха катода и взрывчатой, газообразной частью анодной смеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне (32) смешивания взрывчатую и газообразную часть анодной смеси смешивают с продувочной средой (28) и отработанным воздухом катода в отходящем воздухе (33).

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что с периодическим добавлением анодной смеси в зоне (32) смешивания осуществляют регулирование вентилятора (29).

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют поток продувочной среды (28).

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение взрывчатости выведенного отработанного воздуха (33) используют для ввода в эксплуатацию системы (20) топливных элементов.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в или перед зоной (32) смешивания жидкую часть отработанных рабочих сред с помощью сепаратора (36) отделяют от газообразной части отработанных рабочих сред и газообразные части выводят независимо от работы системы (20) топливных элементов.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что с отработанными рабочими средами в сепараторе (36), расположенном перед зоной (32) смешивания, осуществляют предварительное перемешивание и предварительно перемешанные рабочие среды направляют в зону (32) смешивания.

11. Устройство для вывода отработанных и, по меньшей мере, частично взрывчатых рабочих сред топливного элемента (1) в системе (20) топливных элементов, содержащее сенсорное устройство (30) для контроля выведенных из рабочего пространства (27) рабочих сред на их взрывчатость, причем предусмотрена зона (32) смешивания для рабочих сред с продувочной средой (28) с образованием отработанного воздуха (33), причем рабочее пространство (27) закрыто вентилятором (29), и сенсорное устройство (30) расположено, если смотреть в направлении потока отработанного воздуха (33), позади зоны смешивания (32), отличающееся тем, что между зоной (32) смешивания и сенсорным устройством (30) расположен охладитель (14) с термически контролируемым испарительным устройством (37).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что зона (32) смешивания расположена в канале, причем на конце канала, образованном в качестве выпуска (35) рабочего пространства (27), смонтирован вентилятор (29), и второй конец канала образован для вывода отработанного воздуха (33).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к устройствам непосредственного преобразования химической энергии водородосодержащего топлива в электрическую энергию.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. .

Изобретение относится к когенерационной системе на топливных элементах, предназначенной для получения горячей воды путем рекуперации и использования бросового тепла топливного элемента.

Изобретение относится к топливным элементам. .

Изобретение относится к производству электрической энергии и получению Н2 с использованием углеродсодержащего топлива в топливных элементах. .

Изобретение относится к системе топливного элемента. .

Изобретение относится к топливному картриджу и системе топливного элемента, которые предназначены для подачи жидкого топлива в топливный элемент. .

Изобретение относится к топливным элементам (ТЭ) с испарительным охлаждением. .

Способ хранения топливного элемента включает первый этап калибровки эталонной мембраны с помощью ядерного магнитного резонанса с целью получения кривой зависимости максимальной водной нагрузки (λmaxx(T)) мембраны от температуры мембраны (3), и второй этап калибровки стандартного элемента с целью получения зависимости между электрическим сопротивлением стандартного элемента, водной нагрузкой (λ) его мембраны и его температурой (T). Способ также включает этап высушивания, зависящий от двух этапов калибровки. Обеспечение оптимальной эффективности работы топливного элемента за счет того, что мембрана каждой ячейки содержит определенное количество воды, близкое к насыщению, является техническим результатом предложенного изобретения. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Предусмотрена система генерирования мощности на топливных элементах, в которой уменьшена потеря мощности в линии питания, электрически соединяющей батарею и схему преобразования мощности, тем самым достигается высокая эффективность генерирования мощности. Установка (6) для реформинга и батарея (7) расположены в блоке (2) основного корпуса. Выходные контактные зажимы (31) батареи предусмотрены на обоих концах в направлении укладки батареи (7). Схема (24) преобразования мощности расположена в блоке (2) основного корпуса и размещается в непосредственной близости к батарее (2). Входные контактные зажимы (32) схемы преобразования мощности предусмотрены на схеме (24) преобразования мощности и размещены в направлении параллельно направлению укладки батареи. Выходные линии (27) батареи электрически соединяют выходные контактные зажимы (31) батареи и входные контактные зажимы (32) схемы преобразования мощности. Снижение потери мощности в системе с топливными элементами при уменьшении ее габаритов и повышении надежности системы является техническим результатом предложенного изобретения. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13). Топливный элемент (10) вырабатывает энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа. Первая камера (20) сгорания избирательно подает обогревающий газ в катод (13) топливного элемента (10). Первый обратный канал (17) для обогревающего газа смешивает, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода (13), с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа и обогревающего газа подается в катод (13). Система (50) подачи газа соединена с первым обратным каналом (17) для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода (13) так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания. Повышение эффективности использования газа, выпускаемого из катода, путем использования его для повышения температуры топливного элемента, а также снижение отложений углерода на аноде, является техническим результатом заявленного изобретения. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к топливным элементам. Технический результат - повышение долговечности топливных элементов путем регулирования давления на электродах. Предложена система топливного элемента, включающая в себя топливный элемент для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод; систему (HS) подачи топливного газа для подачи топливного газа на топливный электрод; и контроллер для регулирования системы (HS) подачи топливного газа, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод, причем контроллер осуществляет изменение давления, когда выход стороны топливного электрода закрыт, при этом контроллер периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления (ΔР1). 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 22 ил.

Топливный элемент, производимый в промышленном масштабе, содержащий электролит, положительные электроды и отрицательные электроды, собранные в определенную структуру, внешние электрические соединения, внутренние каналы для подачи топлива, каналы для распределения топлива, каналы для подачи окислителя, каналы для распределения окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов, что позволяет сформировать простую модульную сборку, из которых можно собрать пакет. В топливном элементе могут быть использованы как твердый, так и гибкий электролит. Расположение рамы с каналами для топлива в ее центральной части обеспечивает повышение надежности электрических соединений и уплотнений для текучих сред, при этом электролит в указанном топливном элементе может быть расположен с любой стороны электрода, а электрические соединения позволяют обеспечить подключение к ним извне для обеспечения желаемой электрической мощности. 21 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности к системе диагностики топливного элемента и других химических источников электроэнергии, и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом, является качественный и непрерывный контроль, позволяющий отслеживать состояние топливного элемента и предсказывать его работоспособность и длительность работы. В предложенном способе измеряют напряжение эталонного электрода, установленного на одном из рабочих электродов топливного элемента, и вычисляют степень его износа и сравнивают со значением критического износа источника тока, после чего делают вывод о пригодности или непригодности дальнейшей эксплуатации источника тока. 1 ил.

Изобретение относится к твердотельным оксидным топливным элементам со способностью к внутреннему риформингу. Твердотельный оксидный топливный элемент обычно включает катод, электролит, анод и слой катализатора, находящийся в соприкосновении с анодом. Слой катализатора может включать опорную мембрану и катализатор риформинга, который объединен с опорной мембраной. В некоторых вариантах осуществления катализатор риформинга может включать один или несколько катализаторов риформинга с частичным окислением. Заявленное изобретение также предоставляет способы изготовления и эксплуатации твердотельных оксидных топливных элементов. Техническим результатом является возможность работы топливных элементов непосредственно на нереформированном углеводородном топливе без деградации анода вследствие закоксовывания. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к способу изготовления металлического стального сепаратора для топливных элементов, который обладает коррозионной стойкостью и контактным сопротивлением не только в начальной стадии, но также и после влияния условий высокой температуры и/или высокой влажности в топливном элементе в течение длительного периода времени. Способ включает подготовку листа нержавеющей стали в качестве матрицы металлического сепаратора, формирование прерывистой покровной пленки на поверхности листа нержавеющей стали, причем покровная пленка содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из следующих: золото (Au), платина (Pt), рутений (Ru), иридий (Ir), оксид рутения (RuO2) и оксид иридия (IrO2),; и термическую обработку листа нержавеющей стали, содержащего прерывистую покровную пленку, для формирования оксидной пленки на части листа нержавеющей стали, на которой не сформирована покровная пленка. Также раскрыт металлический сепаратор для топливных элементов, изготовленный этим способом.2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил., 1 табл., 8 пр.

Предложена система (100) топливного элемента, включающая в себя топливный элемент (1) для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод (34) окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод (67); систему (HS) подачи топливного газа для подачи топливного газа на топливный электрод (67); и контроллер (40) для регулирования системы (HS) подачи топливного газа, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод (67), причем контроллер (40) осуществляет изменение давления, когда выход стороны топливного электрода (67) закрыт, при этом контроллер (40) периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода (67) на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления (ДР1). Повышение однородности топливного газа и снижение напряжения, прилагаемого к топливному элементу, является техническим результатом изобретения. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к энергоустановкам c твердополимерными топливными элементами (ТЭ), в которых получают электроэнергию за счет электрохимической реакции газообразного водорода с двуокисью углерода, и электрохимической реакции окиси углерода с кислородом воздуха. Предложена также система энергопитания с получением электроэнергии из водорода с использованием батареи твердополимерных ТЭ, которая снабжена регенеративным теплообменником подачи воздуха и регенеративным теплообменником нагрева окиси углерода и охлаждения двуокиси углерода, выход которого соединен трубопроводом, с установленным на нем обратным клапаном, с баллоном с двуокисью углерода, который через клапан подачи двуокиси углерода, подсоединен к входу окислителя для его подачи в батарею твердополимерных ТЭ. Повышение КПД в системе получения электроэнергии, является техническим результатом заявленного изобретения 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх