Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах



Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах
Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах
Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах

 


Владельцы патента RU 2570568:

СФК ЭНЕРДЖИ АГ (DE)

Изобретение относится к аппаратуре и способам управления производством воды и тепла, производимым топливным элементом в холодных средах. Аппаратура может включать трубу, соединенную с выпускным отверстием отсоса топливного элемента или блока топливных элементов для сбора воды, и может вести в камеру. Вторая труба может вести от камеры к внешней поверхности изолированной оболочки для обеспечения выдувания. Пар из топливного элемента, который конденсируется или замерзает, может удерживаться внутри контейнера таким образом, чтобы он не блокировал бы выпускного отверстия топливного элемента. Аппаратура, кроме того, также может включать теплообменную конструкцию для направления тепла из топливного элемента в направлении камеры. Техническим результатом является обеспечение функционирования топливных элементов при низких температурах. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее описание изобретения относится к области аппаратуры и способов для эксплуатации топливных элементов в чрезвычайно холодных средах, в частности аппаратуры и способов для эксплуатации топливных элементов на основе твердоэлектролитной мембраны («ТЭМ») в чрезвычайно холодных и удаленных средах для промышленных областей применения.

Уровень техники

Существует множество областей применения эффективного, портативного и удаленного источника питания в арктических, субарктических и других низкотемпературных климатах. Например, нефтегазовый сектор удовлетворяет потребность в удаленном источнике питания по широкому спектру способов. Газогенераторы и дизель-генераторы по мере надобности представляют собой обычное и эффективное средство удовлетворения потребности в источнике питания большой мощности, но они являются неподходящими для использования в нескольких областях применения вследствие ограничений по шуму, выбросам загрязняющих веществ или температуре поверхности. Их также требуется часто обслуживать, что не позволяет их использовать в очень сильно удаленных областях применения, которые не требуют регулярного наличия персонала.

Как известно, в удаленных областях/областях низкой потребляемой мощности используют солнечные источники питания, поскольку они не требуют обслуживания, являются бесшумными и характеризуются продолжительным сроком службы. Однако солнечные батареи отбирают неравномерные количества мощности, в особенности зимой, и в попытке компенсации этого эффекта панели солнечных батарей стали огромными и неуправляемыми. Они также могут стать покрытыми снегом или наносами, предотвращающими отбор мощности, что означает то, что они все еще требуют проведения определенной степени согласованного технического обслуживания.

Еще один способ получения удаленного источника питания заключается в термоэлектрических генераторах («ТЭГ»). Они сжигают природный газ или пропан, доступные по месту, для создания большой разницы температур, которая может быть использована для выработки электричества. Одна проблема, связанная с технологией ТЭГ, заключается в ее исключительной неэффективности, соответствующей ориентировочно термодинамическому коэффициенту полезного действия 2,5%, что в результате приводит к значительным потерям топлива. Данная неэффективность также в результате приводит к неоправданно высоким выбросам загрязняющих веществ. Еще одна проблема, связанная с технологиями ТЭГ, заключается в том, что они генерируют большое количество тепла, что делает их потенциально неподходящими для использования на пожароопасных объектах.

Еще один способ автономного энергопитания заключается в использовании батарей, электрически связанных совместно в большие блоки. Преимущества блоков батарей включают бесшумную эксплуатацию и стабильный отбор мощности. Хотя батареи требуют регулярной зарядки, а также нуждаются в защите от факторов природной среды для оптимальной эксплуатации. Вследствие своей низкой плотности энергии для обеспечения питания в течение продолжительных периодов времени требуется много батарей. Батареи также являются тяжелыми и громоздкими - регулярное их перемещение для зарядки представляет собой неэффективное использование персонала.

Как известно, автономное энергопитание для маломощных областей применения также могут обеспечить топливные элементы на основе твердоэлектролитной мембраны («ТЭМ»). Топливные элементы на основе ТЭМ по самой своей природе характеризуются меньшей эффективностью в сопоставлении с другими типами элементов вследствие высоких активационных потерь, что делает их неподходящими для использования при крупномасштабной выработке мощности. Элементы на основе ТЭМ также имеют тенденцию к функционированию при более низких рабочих температурах в сопоставлении с другими типами элементов. Таким образом, технология ТЭМ и, говоря более конкретно, прямые метанольные топливные элементы («ПМТЭ»), прежде нацеливались на низкоэнергетические области применения, что включает в себя портативный источник питания (от микроустройств вплоть до 800 Вт), а также некоторые маломощные средства транспортирования (например, вилочные погрузчики, скутеры), при этом в основном рынок ориентирован на небольшие электронные устройства, такие как мобильные телефоны и ноутбуки. Немного коммерчески доступных элементов ПМТЭ является подходящим для использования для более крупномасштабного источника питания (например, более чем 250 Вт), и современные производители имеют тенденцию к предложению элементов для узкоспециализированных областей, таких как области применения для досуга, безопасности, инфраструктуры для коммуникаций и военные области применения.

Существующие системы ПМТЭ нерационально эксплуатировать при чрезвычайно холодной погоде (например, ниже -20°C). Это обуславливается удерживанием жидкой воды в элементе ПМТЭ во время обычной эксплуатации. В случае замерзания данной воды расширение воды может привести к разбуханию и растрескиванию элемента. Современные системы топливных элементов используют определенную комбинацию из изоляции и электрического управления для обеспечения продолжения функционирования элемента при сохранении температуры элемента выше температуры замерзания в холодных средах. Однако в чрезвычайно холодных условиях данные системы неспособны сохранять внутренние температуры для обеспечения функционирования при температуре, меньшей чем -20°C.

Одна критическая проблема, с которой встречаются некоторые системы ПМТЭ, функционирующие в средах при холодной погоде, заключается в том, что высокоувлажненные газообразные продукты, генерируемые реакцией элемента, легко конденсируются и замерзают при воздействии атмосферных или внутренних температур замерзания. В зависимости от того, где происходит данное образование льда, это может приводить к широкому спектру проблем; в случае накопления льда поблизости от элемента или вокруг него может возникнуть опасность падения при скольжении; накопление льда на самом устройстве может привести к появлению дополнительной несбалансированной массы, которая может стать помехой при функционировании устройства и может затруднить удаление устройства по месту эксплуатации; а накопление льда на выпускном отверстии отсоса может предотвращать надлежащее функционирование элемента и потенциально может привести к аварийной остановке системы.

Зачастую данную технологию используют для получения удаленного источника питания во всех условиях для военных операций, операций по безопасности и других критических инфраструктурных операций. Потенциал для дополнительной угрозы безопасности создается в случае утраты питания критической инфраструктурой, полагающейся на устройство, вследствие недостатка технологии.

Поэтому желательно предложить аппаратуру и способ для эксплуатации удаленного источника питания в чрезвычайно холодных средах, которые бы преодолевали недостатки предшествующего уровня техники.

Раскрытие изобретения

Предлагаются аппаратура и способ для эксплуатации удаленного источника питания в чрезвычайно холодных средах. Настоящее описание изобретения относится к системе и способу для управления отсосом воды и утилизацией бросового тепла, производимыми топливным элементом в холодных средах. Вода может быть произведена топливным элементом или блоком топливных элементов в качестве побочного продукта выработки электричества. Некоторое количество данной воды может быть подано обратно в топливный элемент; однако избыточная вода может быть утилизирована таким образом, чтобы образование льда не создавало бы помех эксплуатации топливного элемента. Компоненты системы топливного элемента могут быть заключены внутрь оболочки. Оболочка может быть изолированной. Аппаратура может быть внутренней для системы топливного элемента или может представлять собой модификацию, полученную вне существующей системы.

Аппаратура может включать изолированную трубу, соединенную с выпускным отверстием отсоса топливного элемента или блока топливных элементов, и может вести в камеру, которая может конденсировать и собирать воду. Вторая труба может вести от верхней части камеры конденсации воды к внешней стороне изолированной оболочки. Любой пар из топливного элемента или блока топливных элементов, который конденсируется в виде воды, может удерживаться внутри контейнера и после этого вода может замораживаться в виде льда. Вода может замерзать в контейнере таким образом, чтобы она не закупоривала бы выпускное отверстие отсоса топливного элемента и не прерывала функционирование топливного элемента и не повреждала его. Камера может иметь промежуточную температуру в диапазоне между температурой окружающей среды, внешней для оболочки и температурой окружающей среды, внутренней для оболочки, и может облегчать конденсацию без возникновения потребности в теплообменниках с принудительной подачей воздуха. Вторая труба может обеспечить выдувание остающегося несконденсированного пара на внешнюю сторону оболочки. Данное выдувание может предотвращать нарастание давления внутри системы, что могло бы создавать помехи для функционирования топливного элемента, а также может предотвращать возникновение проблем с коррозией внутри контейнера. Аппаратура или система также могут включать компонент, при использовании которого тепло, испускаемое из топливного элемента или блока топливных элементов, может быть направлено вокруг водной камеры к линиям отсоса для поддержания их теплыми. Направление данного тепла отсоса через каналы может обеспечить функционирование при чрезвычайно низких температурах без накопления льда на конце трубы выпускного отверстия системы или на воздухозаборнике системы.

В широком смысле слова в некоторых вариантах осуществления предлагается аппаратура для функционирования, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, включающих выпускное отверстие отсоса, при этом аппаратура включает: оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки; первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса; камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубы; и вторую трубу, ведущую от верхней части камеры к выпускному отверстию оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока.

В широком смысле слова в некоторых вариантах осуществления предлагается система топливного элемента, включающая, по меньшей мере, один топливный элемент или блок топливных элементов, включающий выпускное отверстие отсоса; оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки; первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса; камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубки; и вторую трубу, ведущую от верхней части камеры выпускного отверстия оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока.

В широком смысле слова в некоторых вариантах осуществления предлагается способ функционирования, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, включающих выпускное отверстие отсоса, при этом способ включает стадии: заключения элемента или блока в оболочку; приема водяного пара из выпускного отверстия отсоса, полученного в виде побочного продукта производства электричества в элементе или блоке; конденсации, по меньшей мере, части водяного пара в камере в виде воды; и выдувания несконденсированного водяного пара из камеры, где топливный элемент функционирует при температурах, меньших чем -20°C.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 представляет собой технологическую блок-схему одного варианта осуществления аппаратуры удаленного источника питания;

Фигура 2 представляет собой технологическую блок-схему одного дополнительного варианта осуществления аппаратуры удаленного источника питания, демонстрирующую развернутый вид блока топливных элементов; и

Фигура 3 представляет собой технологическую блок-схему одного дополнительного варианта осуществления аппаратуры удаленного источника питания, включающую конструкцию утилизации бросового тепла.

Осуществление изобретения

Что касается фигур 1 и 2, то на них продемонстрирован один вариант осуществления аппаратуры источника питания 10. Компоненты аппаратуры 10 могут включать оболочку 20, окружающую топливный элемент 30, и камеру сбора/конденсации воды 40. Оболочка 20 может включать выпускное отверстие 22. В некоторых вариантах осуществления оболочка 20 может включать вентиляционные патрубки и/или воздухозаборник 24. Либо воздухозаборник 24, либо выпускное отверстие 22, либо обе конструкции могут включать настраиваемые вентиляционные патрубки для регулирования количества воздуха, поступающего в оболочку 20 или выходящего из нее.

В некоторых вариантах осуществления оболочка 20 может как вмещать, так и защищать топливный элемент 20, а также заключать в себе рабочие оборудование и соединения, требуемые для эксплуатации топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31. Оболочка 20 может включать изоляцию для сохранения тепла, испускаемого из топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31 внутри оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления изоляция оболочки 20 может быть неоднородной. В некоторых вариантах осуществления камера 40 может быть размещена внутри оболочки 20 в области меньшей изоляции. Другими словами, область камеры 40, приближенная к оболочке 20, может быть менее изолированной в сопоставлении с другими областями оболочки 20. Данная дифференциальная изоляция и недостаток приближенности к топливному элементу 30 или блоку топливных элементов 31 в результате могут привести к получению более холодной области оболочки, образующейся вокруг камеры 40, когда температура, внешняя для оболочки 20, является меньшей в сопоставлении с (внутренней) температурой окружающей среды оболочки 20.

В некоторых вариантах осуществления основная часть пространства, доступного внутри оболочки 20, за исключением внутренних компонентов может быть заполнена изоляцией.

Тип изоляции может включать широкий спектр форм изоляции, где совокупное значение коэффициента сопротивления теплопередаче изоляции обеспечивает, по меньшей мере, значение R10 для внутренних компонентов. Внешний материал оболочки 20 может быть разработан для защиты компонентов, внутренних для оболочки 20. Как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, внешний материал может включать широкий спектр форм в диапазоне от формованного пластика до алюминия. В некоторых вариантах осуществления внешний материал может быть рассчитан для функционирования, по меньшей мере, при -55°C. В некоторых вариантах осуществления для экстремальных условий оболочка 20 может включать двухстенный корпус для придания системе увеличенной защиты, а также дополнительного значения коэффициента сопротивления теплопередаче.

Топливный элемент 30 может включать катод 32 и анод 34. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, в некоторых вариантах осуществления без ухудшения функции аппаратуры 10 могут быть скомпонованы друг с другом в виде батареи топливных элементов несколько топливных элементов 30. В некоторых вариантах осуществления топливный элемент 30 может быть функционально сочленен с технологическим конденсатором 60 с вентилятором для управления скоростью конденсации и резервуаром сепаратора вода-газ 70 для получения работающего блока топливных элементов 31.

В некоторых вариантах осуществления топливный элемент 30 может быть прямым метанольным топливным элементом (ПМТЭ), хотя, как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, заместителем на его месте может выступить любой соответствующий топливный элемент. Например, заместителями на его месте могут выступить другие элементы, в том числе топливные элементы на основе твердоэлектролитной мембраны (ТЭМ), которые имеют тенденцию к функционированию при низких температурах и наличию воды в качестве побочного продукта. Некоторые известные топливные элементы на основе ТЭМ включают водородные топливные элементы на основе ТЭМ, прямые этанольные топливные элементы (ПЭТЭ) и прямые топливные элементы на основе муравьиной кислоты (ПТЭМК). В некоторых вариантах осуществления для каждого элемента 30 две химические реакции в полуэлементах протекают, образуя результирующую реакцию, продемонстрированную ниже.

Реакция в анодном полуэлементе: CH3OH(ж)+H2O(ж)→CO2+6H++6е-

Реакция в катодном полуэлементе: 3/2O2+6Н++6е-→3H2O(п)

Результирующая окислительно-восстановительная реакция: CH3OH(ж)+3/2O2→CO2+2H2O(п),

где водяной пар и избыточный воздух могут покидать топливный элемент или блок топливных элементов 31 через катодный отсос топливного элемента 36. CO2, производимый в результате прохождения реакции на аноде 34, может выходить через анодное выпускное отверстие 38.

В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может включать контейнер для сбора и хранения воды. В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может быть внутренней для оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может быть изготовлена из пластиков, нержавеющего/водостойкого металла или других соответствующих материалов. Камера конденсации воды 40 может иметь прямоугольную, цилиндрическую или любую другую надлежащую форму. В некоторых вариантах осуществления размер камеры 40 определяет количество топлива, подаваемого в топливный элемент 30, так чтобы контейнер был бы откалиброван для приема надлежащего количества воды в качестве побочного продукта. Камера конденсации воды 40 может быть расположена рядом с топливным элементом 30, над ним или под ним. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, характеристики камеры конденсации воды 40 могут варьироваться или замещаться при одновременном сохранении той же самой функции и без отклонения от предполагаемого объема. Камера конденсации воды 40 может быть соединена с первой трубой 42 и может быть соединена со второй трубой 44. Трубы 42, 44 могут быть изготовлены из материала Teflon™ или других обычных водостойких материалов трубной проводки. В некоторых вариантах осуществления трубы 42, 44 могут быть изолированы при использовании изоляции трубы/трубной проводки или других соответствующих материалов для предотвращения замерзания воды, содержащейся в них. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, характеристики труб 42, 44 могут варьироваться или замещаться при одновременном сохранении той же самой функции и без отклонения от предполагаемого объема. В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может быть герметизирована при исключении впускного отверстия камеры 46 и выпускного отверстия камеры 48. В некоторых вариантах осуществления впускное отверстие камеры 46 и выпускное отверстие камеры 48 могут быть размещены в верхней части конденсатора 40. Один конец первой трубы 42 может быть соединен с выпускным отверстием отсоса топливного элемента 36 топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31, а второй конец первой трубы 42 может быть соединен с впускным отверстием камеры 46. В некоторых вариантах осуществления один конец второй трубы 44 может быть соединен с выпускным отверстием камеры 48, а второй конец второй трубы 44 может быть соединен с оболочкой 20 поблизости от выпускного отверстия 22.

При эксплуатации аппаратура 10 может производить электричество для сохранения достаточной зарядки во внешних батареях, использующихся для запитывания электрических устройств, таких как: ретрансляторы связи, мониторы качества воздуха, приборы контроля качества воды, приборы мониторинга погоды, приборы сейсмического наблюдения, средства дистанционного наблюдения за объектами, дистанционные системы интернета и мобильных телефонов, усилители сигналов, насосы для нагнетания химических реагентов, системы компримирования, системы удаленных портативных источников питания, электронные отключающие устройства, ретрансляционные станции для сообщения о внезапной неработоспособности, светодиодные световые решения, видео- и коммуникационные пакеты, источники питания телекамер и кинокамер, системы мониторинга состояния дикой природы. В некоторых вариантах осуществления устройства, такие как те, которые могут быть соединены с системой батарейного блока, которая может быть сохранена и выдержана заряженной при использовании системы топливного элемента. Топливный элемент 30 или блок топливных элементов 31 могут производить водяной пар в качестве побочного продукта. Данный водяной пар может покидать топливный элемент 30 или блок топливных элементов 31 через отсос топливного элемента 36 в первую трубу 42 и в камеру конденсации воды 40 через впускное отверстие камеры 46. В некоторых вариантах осуществления водяной пар может покидать топливный элемент 30 или блок топливных элементов 31 через отсос топливного элемента 36 в первую трубу 42 и в камеру конденсации воды 40 через впускное отверстие камеры 46. В некоторых вариантах осуществления для предотвращения образования сконденсированной водой закупоривания в любой трубе не должен быть реализован эффект сообщающихся сосудов. В некоторых вариантах осуществления локальная температура вокруг камеры конденсации воды 40 может быть уменьшена, например, вследствие расстояния от тепла, генерируемого топливным элементом 30 или блоком топливных элементов 31, или вследствие меньшей локальной изоляции оболочки 20. Уменьшенная локальная температура может обеспечить конденсацию собранного водяного пара в виде жидкой воды на дне камеры конденсации воды 40. Кроме того, падение давления, связанное с соединением находящегося под давлением отсоса из первой трубы 42 с давлением окружающей среды камеры конденсации воды 40, может дополнительно облегчить конденсацию. В некоторых вариантах осуществления уменьшенная локальная температура оболочки 20 в окрестностях камеры конденсации избытка 40 может быть меньшей чем 0°C. В некоторых вариантах осуществления жидкая вода, сконденсированная в камере конденсации воды 40, может замерзать в виде льда. В некоторых вариантах осуществления сконденсированная вода может храниться в камере 40 в виде воды или льда.

Характеризующийся низкой влажностью воздух и водяной пар, который не сконденсировался в камере конденсации воды 40, могут выходить через выпускное отверстие камеры 48 во вторую трубу 44 и на внешнюю поверхность оболочки через выпускное отверстие оболочки 22. В некоторых вариантах осуществления выпускное отверстие оболочки 22 может вести во внешнюю среду. Данное выдувание может предотвращать нарастание давления в камере конденсации воды 40. В некоторых вариантах осуществления камера 40 может быть удалена из аппаратуры 10 и камера 40 может быть опорожнена от собранных воды или льда. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, включение системы продувки с ручным или автоматическим приводом, включающей насос или слив, не будет отклоняться от объема данного описания изобретения и по мере надобности возможности опорожнения контейнера. В некоторых вариантах осуществления камера 40 может включать необмерзающий конденсатный насос (не показан) для обеспечения откачивания незамерзшей воды из камеры 40 с предварительно установленными интервалами, что обеспечит достижение большей автономности или использование более крупных источников топлива без лимитирования камеры 40 размером или количеством топлива. Сконденсированная текучая среда по мере надобности может быть откачана из камеры 40.

Что касается фигуры 2, то на ней продемонстрирован один вариант осуществления аппаратуры 10, где камера конденсации воды 40 может быть функционально сочленена с блоком топливных элементов 31. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, механическое оборудование, которое может быть использовано для эксплуатации работающего блока топливных элементов 31, включает: топливный элемент или батарею топливных элементов 30; воздушный насос 50; технологический конденсатор 60 с вентилятором для управления скоростью конденсации; резервуар сепаратора вода-газ 70; резервуар метанольного раствора 80; источник подачи чистого метанола 90 с насосом дозирования топлива 92 и анодным циркуляционным насосом 100. Для соединения с данным оборудованием могут быть использованы различные размеры и типы трубной проводки. Для продления срока службы батареи топливных элементов могут быть использованы воздушные фильтры и топливные фильтры (на фигурах не показаны). Аппаратура, системы и способы настоящего изобретения могут быть использованы для расширения рабочей температуры блока топливных элементов 31 вплоть до 25°C и менее.

Технологический конденсатор 60 может конденсировать начальное количество жидкой воды из водяного пара отсоса из топливного элемента 30. Сепаратор вода-газ 70 может отделять газы отсоса топливного элемента 30 и несконденсированный водяной пар из технологического конденсатора 60 от сконденсированной воды, поступающей из технологического конденсатора 60, так что газ будет отсасываться, а несконденсированная вода будет отправлена в резервуар метанольного раствора 80. Сепаратор вода-газ 70 может использовать силу тяжести и разницу давлений между контейнерами для разделения газов и барботирования продуктов на основе диоксида углерода через сконденсированную воду и на выпуск совместно с избыточным воздухом. Между тем жидкая вода может заполнять сепаратор вплоть до уровня переливания, в момент чего она может быть слита в резервуар метанольного раствора 80.

Что касается фигуры 3, то в некоторых вариантах осуществления аппаратура 10 может включать конструкцию утилизации бросового тепла 50. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может включать каналы воздушного тока окружающей среды, которые проходят через внутреннее пространство оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления каналы могут быть образованы пустотами в изоляции, внутренней для оболочки 20. Внутренняя изоляция (показанная в виде заштрихованной области) может представлять собой любой соответствующий изолирующий материал, например изоляцию в виде черного пенополистирола высокой плотности. В некоторых вариантах осуществления изоляция может быть разрезана для обеспечения соответствия внутренней поверхности оболочки 20 и она также может профилировать конструкцию утилизации бросового тепла 50 в виде каналов, прорезающих изоляцию для получения пути прохода для утилизации бросового тепла.

При эксплуатации тепло, производимое и испускаемое из топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31 во время производства электричества при использовании топливного элемента 30, может выходить через отсос топливного элемента 36 и собираться при использовании конструкции утилизации бросового тепла 50. Теплый воздух окружающей среды конструкции утилизации бросового тепла 50 может способствовать предотвращению замерзания воды в компонентах, внутренних для оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может быть структурирована ниже или вокруг камеры 40. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может быть структурирована ниже или вокруг катода 32. Тепло, утилизируемое через конструкцию 50, может поддерживать температуру внутри оболочки 20 в пределах определенного диапазона. В некоторых вариантах осуществления внутренняя температура окружающей среды внутри оболочки 20 может находиться в диапазоне от -20°C до +35°C. В некоторых вариантах осуществления использование утилизации бросового тепла может предотвращать замерзание компонентов аппаратуры 10, внутренних для оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления использование утилизации бросового тепла может предотвращать замерзание выпускного отверстия катода 32. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может вести теплый воздух через внутреннее пространство оболочки 20 к выпускному отверстию 22. В некоторых вариантах осуществления для облегчения выдувания утилизируемого бросового тепла на выпускном отверстии 22 может присутствовать вентилятор отсоса. В некоторых вариантах осуществления вентилятор отсоса можно термостатически контролировать таким образом, чтобы вентилятор не функционировал бы тогда, когда он не требуется, например в случае внешних температур, больших чем 0°C.

В некоторых вариантах осуществления вторая труба может вести на внешнюю поверхность оболочки 20 на выпускном отверстии оболочки 22 или поблизости от него. Теплый воздух окружающей среды конструкции утилизации бросового тепла 50 может способствовать предотвращению замерзания второй трубы 44.

Несмотря на демонстрацию и описание нескольких вариантов осуществления, специалисты в соответствующей области техники должны понимать то, что без отклонения от объема изобретения могут быть реализованы и различные изменения и модификации. Термины и выражения, использующиеся в предшествующем описании изобретения, использовались в настоящем документе в качестве терминов описания, а не ограничения и нет намерения использования таких терминов и выражений за исключением эквивалентов продемонстрированных и описанных признаков или их частей, при этом необходимо понимать то, что изобретение определяется и ограничивается только формулой изобретения, которая следует далее.

1. Аппаратура для эксплуатации, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, включающих выпускное отверстие отсоса, при этом аппаратура содержит:
оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки;
первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса;
камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубы; и
вторую трубу, ведущую от верхней части камеры к выпускному отверстию оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока,
при этом аппаратура содержит конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к камере.

2. Аппаратура по п. 1, где оболочка, кроме того, включает изоляцию.

3. Аппаратура по п. 2, где изоляция является неоднородной внутри оболочки.

4. Аппаратура по п. 3, где камеру размещают внутри оболочки в области меньшей изоляции.

5. Аппаратура по любому из пп. 1-4, содержащая конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к выпускному отверстию оболочки.

6. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой камера может быть удалена из аппаратуры, и где камера может быть опорожнена от воды.

7. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой топливный элемент или блок топливных элементов содержат топливный элемент на основе твердоэлектролитной мембраны (ТЭМ).

8. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой топливный элемент или блок топливных элементов содержат прямой метанольный топливный элемент.

9. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой размер камеры определяет количество топлива, подаваемого в топливный элемент.

10. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой второй конец первой трубы функционально соединен с камерой в верхней части камеры.

11. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой камеру располагают ниже элемента или блока.

12. Система топливного элемента, содержащая:
по меньшей мере, один топливный элемент или блок топливных элементов, включающие выпускное отверстие отсоса;
оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки;
первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса;
камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубы; и
вторую трубу, ведущую от верхней части камеры к выпускному отверстию оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока,
при этом система содержит конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к камере.

13. Система по п. 12, в которой оболочка, кроме того, включает изоляцию.

14. Система по п. 13, в которой изоляция является неоднородной внутри оболочки.

15. Система по п. 14, в которой камера находится внутри оболочки, и изоляция камеры уменьшена.

16. Система по любому из пп. 12-15, содержащая конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к выпускному отверстию оболочки.

17. Система по любому из пп. 12-15, в которой камера может быть удалена из аппаратуры, и в которой камера может быть опорожнена от воды.

18. Система по любому из пп. 12-15, в которой топливный элемент или блок топливных элементов включают топливный элемент на основе твердоэлектролитной мембраны (ТЭМ).

19. Система по любому из пп. 12-15, в которой топливный элемент или блок топливных элементов содержат прямой метанольный топливный элемент.

20. Система по любому из пп. 12-15, в которой размер камеры определяет количество топлива, подаваемого в топливный элемент.

21. Система по любому из пп. 12-15, в которой второй конец первой трубы функционально соединен с камерой в верхней части камеры.

22. Система по любому из пп. 12-15, в которой камеру располагают ниже элемента или блока.

23. Способ функционирования, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, содержащих выпускное отверстие отсоса, при этом способ включает стадии:
заключения элемента или блока в оболочку;
приема водяного пара из выпускного отверстия отсоса, полученного в виде побочного продукта производства электричества на катоде в элементе или блоке;
конденсации, по меньшей мере, части водяного пара в камере в виде воды; и
выдувания несконденсированного водяного пара из камеры, где топливный элемент функционирует при температурах, меньших чем -20°C,
производства тепла из элемента или блока в качестве побочного продукта производства электричества и сбора тепла внутри оболочки, окружающей элемент или блок,
направления тепла к камере.

24. Способ по п. 23, включающий стадию хранения воды, собранной в камере внутри оболочки.

25. Способ по п. 23 или 24, включающий стадию замерзания воды в камере по способу, который не закупоривает выпускное отверстие отсоса.

26. Способ по п. 23 или 24, включающий по мере надобности стадию удаления воды, собранной в камере, и опорожнения камеры от воды.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к газогенератору для конверсии топлива в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, который может быть использован в любом процессе, требующем обедненного кислородом газа и/или обогащенного водородом газа, предпочтительно, используют его для генерирования защитного газа или восстановительного газа для запуска, выключения или аварийного отключения твердооксидного топливного элемента (SOFC) или твердооксидного элемента электролиза (SOEC).

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.

Изобретение относится к энергетике, к системе энергоснабжения космических аппаратов и напланетных станций. Электрохимическая система энергоснабжения космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает электролизер воды и кислородо-водородный генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом, металло-водородный аккумулятор, имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с баллоном хранения водорода пневмомагистралью с запорным элементом.

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).

Изобретение относится к силовым установкам летательных аппаратов вспомогательного назначения. .

Изобретение относится к энергоустановкам с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ). .

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может использоваться в космических системах электропитания, работающих на базе водородно-кислородных электрохимических генераторов (ЭХГ).

Заявленное изобретение относится к системе и способу повышения общей производительности топливного элемента, преимущественно твердооксидного топливного элемента, при одновременном отделении почти чистого потока СО2 для изоляции или использования при выработке электроэнергии для дополнительного увеличения общей эффективности процесса. В системе и способе используют теплообменную систему, выполненную с возможностью образования потока топлива, который возвращают на вход анода топливного элемента, с более высокой молярной концентрацией монооксида углерода (СО) и водорода (Н2) в топливе, чем изначально присутствовала на выходе анода топливного элемента. Повышение эффективности системы топливных элементов в целом, а также повышение надежности их работы при снижении эксплуатационных затрат является техническим результатом изобретения.4 н. и 28 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к способу производства жидкого водорода и электроэнергии. Способ производства водорода и/или электроэнергии включает создание системы, подходящей для производства водорода и/или электроэнергии, содержащей, по меньшей мере, устройство реформинга, приспособленное для приема сырьевого природного газа и реформинга природного газа с получением водородсодержащего газа; устройство для производства электроэнергии, приспособленное для приема, по меньшей мере, части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и осуществления реформинга водорода для производства электроэнергии; и устройство для сжижения водорода, приспособленное для приема части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и для сжижения водорода с получением жидкого водорода, при этом во время работы в устройство для сжижения водорода подают по меньшей мере часть электроэнергии, произведенной в устройстве для выработки электроэнергии, и во время работы из системы отводят жидкий водород и/или электроэнергию; при этом в течение первого периода природный газ направляют в устройство реформинга газа, и система работает для отвода жидкого водорода; и в течение второго периода природный газ направляют в устройство реформинга газа, и система работает для отвода электроэнергии. 21 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх