Система охлаждения для топливного элемента

Изобретение относится к системам охлаждения топливных элементов. Технический результат - обеспечение быстрого запуска при низких температурах. Система охлаждения для топливного элемента, содержащая главный контур текучей среды-теплоносителя, включающий в себя циркуляционный насос и теплообменник для обмена с внешним пространством, которые питают входной трубопровод, направляющий эту текучую среду к ячейкам топливного элемента, при этом текучая среда выходит из ячеек через выходной трубопровод и возвращается в циркуляционный насос, отличающаяся тем, что главный контур содержит на каждом входном и выходном трубопроводе управляемый трехканальный вентиль, при этом третий свободный канал входного трубопровода соединен с входом насоса, и третий свободный канал выходного трубопровода соединен с выходом насоса, образуя вспомогательный контур текучей среды. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к системе охлаждения топливного элемента, генерирующего электроэнергию, оно касается также способа работы такой системы охлаждения, а также генераторного агрегата и автотранспортного средства, оборудованных этой системой охлаждения.

В настоящее время топливные элементы разработаны, в частности, для оборудования транспортных средств вместо двигателей внутреннего сгорания, и за счет производства электроэнергии, используемой электрической силовой установкой, они позволяют добиться лучшей энергетической отдачи по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

Как правило, топливные элементы содержат набор элементарных ячеек, содержащих два электрода, разделенных электролитом, и две проводящие пластины, которые доставляют топливо и окислитель на электроды через внутренние каналы. Электрохимические реакции, происходящие при контакте с электродами, генерируют электрический ток и производят воду, выделяя при этом тепловую энергию, нагревающую различные компоненты.

Для обеспечения правильной работы топливные элементы должны находиться при определенной температуре, составляющей в зависимости от типа от 60 до 800°С. Тепло, выделяемое в начале реакций, когда топливный элемент является холодным, служит сначала для нагрева ячеек, чтобы довести их до необходимой рабочей температуры.

Для регулирования температуры топливные элементы содержат систему охлаждения, включающую в себя контур текучей среды-теплоносителя, приводимой в движение насосом, которая входит в контакт с этими ячейками и, нагреваясь, отбирает калории. Затем текучая среда проходит через теплообменник, охлаждаясь, в частности, за счет обмена с окружающим воздухом.

Проблемой, которая возникает в случае запуска топливного элемента, находящегося при температуре ниже 0°С, является то, что вода, получаемая при электрохимической реакции, может замерзнуть, пока температура находится ниже этого порога 0°С. В этом случае топливный элемент не может работать нормально и может разрушиться.

Для решения этой проблемы известная система охлаждения, описанная, в частности, в документе ЕР-А1-0074701, содержит контур охлаждения, включающий в себя первую циркуляционную петлю с теплообменником и насосом, работающим всегда в одном направлении, и вторую циркуляционную петлю, которая проходит через ячейки.

Обе циркуляционные петли пересекаются в одной точке на уровне четырехканального вентиля, который можно устанавливать в двух положениях. Два из четырех каналов всегда служат: один для входа другой для выхода для первой циркуляционной петли, а два других канала позволяют располагать эту вторую петлю последовательно с первой петлей для обеспечения циркуляции в одном направлении при одном положении вентиля и в другом направлении при другом положении.

При насосе, работающем в первой петле постоянно в одном направлении, автоматический перевод четырехканального вентиля из одного положения в другое позволяет чередовать направление прохождения текучей среды-теплоносителя во второй петле и, следовательно, в ячейках.

Таким образом, за счет частого переключения направления циркуляции текучей среды в ячейках в холодном состоянии реализуют циркуляцию одинакового сокращенного объема текучей среды, проходящего через ячейки сначала в одном направлении, затем в другом. В зависимости от расхода текучей среды и от частоты чередования один и тот же объем выходит с одной стороны ячеек и затем возвращается в них после смены направления циркуляции.

Использование небольшого объема текучей среды при чередовании направления движения обеспечивает хорошую гомогенизацию температуры в любых точках ячеек и между ячейками, находящимися в центре набора, и ячейками на концах, при помощи текучей среды, которая участвует в теплообмене и распределяет калории, а также концентрацию тепла, которое остается в ячейках и в частях трубопроводов, близких к этим ячейкам, поскольку текучая среда не циркулирует за пределами этих близких частей.

Таким образом, можно быстрее осуществлять запуск повышение температуры топливного элемента, прежде чем произойдет выход калорий наружу при непрерывном режиме работы с одним направлением прохождения, при котором текучая среда проходит через ячейки и заходит в теплообменник для своего охлаждения.

Проблемой этого контура охлаждения является то, что он требует применения четырехканального вентиля, который является относительно сложным и дорогим в изготовлении. Кроме того, обе петли, встречающиеся в одной точке, образуют специфический контур, который не всегда можно просто реализовать на основе обычного контура, содержащего только одну главную петлю.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известного технического решения и разработка простого и эффективного контура охлаждения, обеспечивающего быстрый запуск топливного элемента при низких температурах, то есть ниже 0°С.

Для решения задачи предложена система охлаждения для топливного элемента, содержащая главный контур текучей среды-теплоносителя, содержащий циркуляционный насос и теплообменник для обмена с внешним пространством, которые питают входной трубопровод, направляющий эту текучую среду к ячейкам топливного элемента, при этом текучая среда выходит из ячеек через выходной трубопровод и возвращается в циркуляционный насос, отличающаяся тем, что главный контур содержит на каждом входном и выходном трубопроводе управляемый трехканальный вентиль, при этом третий свободный канал входного трубопровода соединен с входом насоса, и третий свободный канал выходного трубопровода соединен с выходом насоса, образуя вспомогательный контур текучей среды.

Преимуществом этой системы охлаждения является то, что используя два простых и экономичных трехканальных вентиля, которые можно легко установить в петле обычного контура, и, переключая их одновременно, можно при одном и том же циркуляционном направлении насоса чередовать направление циркуляции текучей среды в ячейках.

Система охлаждения в соответствии с изобретением может дополнительно иметь один или несколько отличительных признаков, которые можно комбинировать между собой.

Предпочтительно входной трубопровод и выходной трубопровод содержат, каждый, температурный датчик, установленный вблизи соединения с ячейками.

Предпочтительно трехканальные вентили являются вентилями, одновременно управляемыми по принципу «все или ничего».

Объектом изобретения является также способ работы системы охлаждения, имеющей любой из предыдущих отличительных признаков, управляющий в зависимости от рабочих параметров топливного элемента частотой чередований одновременного переключения двух трехканальных вентилей для образования вспомогательного контура или восстановления главного контура.

Предпочтительно максимальная частота чередований по существу равна двукратному расходу, выдаваемому насосом, поделенному на объем текучей среды, используемый между двумя температурными датчиками, расположенными вблизи соединения трубопроводов с ячейками.

Согласно варианту способа работы частоту чередования определяют в зависимости от изменения температуры ячеек.

Согласно другому варианту способы работы частоту чередования определяют при данной силе тока, выдаваемого ячейками, в зависимости от изменения напряжения на контактах этих ячеек.

Объектом изобретения является также генераторный агрегат, оснащенный топливным элементом, содержащим систему охлаждения, имеющую любой из предыдущих отличительных признаков.

Кроме того, объектом изобретения является электрическое транспортное средство, содержащее топливный элемент, выдающий электрический ток, используемый для движения и имеющий предыдущий отличительный признак.

Изобретение, его другие отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схему системы охлаждения для топливного элемента в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 - график изменений электрического напряжения V на контактах ячеек этого топливного элемента на оси ординат в зависимости от времени t, показанного на оси абсцисс, во время регулирования посредством чередования циркуляции текучей среды.

Фиг. 3 - график сравнения запуска топливного элемента при низкой температуре с применением и без применения изобретения.

На фиг. 1 показан топливный элемент 2, содержащий ряд ячеек 4, через которые проходит текучая среда-теплоноситель системы охлаждения, управляемой не показанным вычислительным устройством, которое контролирует систему охлаждения и которое может быть вычислительным устройством управления топливным элементом.

Система охлаждения содержит насос 6, имеющий одно направление вращения, который создает поток текучей среды, проходящей через теплообменник 8, для охлаждения этой текучей среды за счет обмена калорий с другой текучей средой, например с окружающим воздухом.

В режиме постоянной работы системы охлаждения текучая среда-теплоноситель, приводимая в движение насосом 6, проходит через главный контур, начало которого показано стрелкой А, и через входной трехканальный вентиль 10, заходя через входной канал 10а и выходя через выходной канал 10b, который направляет эту текучую среду во входной трубопровод 12 ячеек 4 топливного элемента.

Затем текучая среда-теплоноситель выходит из ячеек 4 через выходной трубопровод 14 и проходит через выходной трехканальный вентиль 16, заходя через входной канал 16а и выходя через выходной канал 16b, который направляет эту текучую среду к концу главного контура, показанному стрелкой В, для ее возвращения в насос 6.

Каждый трубопровод 12, 14, соединенный с ячейками 4, содержит датчик 18, 20 температуры текучей среды-теплоносителя, который расположен как можно ближе к этим ячейкам.

Предпочтительно датчик, установленный во входном трубопроводе 12, отстоит от входа элемента на расстояние, меньшее 1/10 длины элемента. Точно так же датчик, установленный в выходном трубопроводе 14, отстоит от выхода элемента на расстояние, меньшее 1/10 общей длины элемента.

Таким образом, получают главный контур, имеющий одно направление циркуляции, который в нормальном режиме работы позволяет отбирать калории в ячейках 4 и удалять их в теплообменник 8.

В случае запуска топливного элемента при температурах ниже 0°С и для ускорения повышения температуры ячеек, чтобы избежать замерзания воды, получаемой в результате электрохимической реакции, вычислительное устройство контроля контура охлаждения поддерживает вращение насоса 6 для обеспечения его постоянной работы и управляет одновременно двумя трехканальными вентилями 10, 16 последовательными короткими периодами для их поочередной установки в положение, реализующее главный контур, как было указано выше, затем в положение, реализующее вспомогательный контур.

Для установления вспомогательного контура циркуляции текучей среды-теплоносителя каждый из двух трехканальных вентилей 10, 16 переключают во второе положение, в котором используют третий канал.

Следует отметить, что трехканальные вентили 10, 16 являются вентилями, одновременно управляемыми по принципу «все или ничего» и требующими простого и экономичного управления.

Текучая среда-теплоноситель, выходящая из теплообменника 8, проходит через первый переходник 22, следуя в начало вспомогательного контура, указанное стрелкой С, и питая третий канал 16с выходного вентиля 16, затем выходит через входной канал 16а, возвращаясь в ячейки 4 через выходной трубопровод 14.

После этого текучая среда-теплоноситель, выходящая из ячеек 4 через входной трубопровод 12, питает выходной канал 10b входного вентиля 10, затем выходит через третий канал 10с и попадает в конец вспомогательного контура, показанный стрелкой D, во второй переходник 24, соединенный с входом насоса 6.

Таким образом, при минимальных изменениях обычного главного контура, добавив два простых и экономичных трехканальных вентиля 10, 16 и сохранив то же самое направление вращения насоса 6, получают вспомогательный контур, обеспечивающий циркуляцию текучей среды-теплоносителя в ячейках в обратном направлении.

В режиме чередующейся работы с изменениями на обратное направления циркуляции текучей среды-теплоносителя в ячейках 4 за счет одновременного переключения двух трехканальных вентилей 10, 16 моментальный расход является таким же, как и в режиме постоянной работы, и его вычисляют таким образом, чтобы обеспечивать охлаждение ячеек 4, работающих на своей максимальной мощности. Этот расход учитывает, кроме того, вязкость текучей среды-теплоносителя и ее плотность, чтобы в ячейках могло происходить смешивание между горячей текучей средой и холодной текучей средой для обеспечения хорошего теплообмена и однородности температур.

Изобретение состоит в обеспечении поочередной циркуляции текучей среды-теплоносителя в топливном элементе в двух возможных направлениях, сохраняя при этом однонаправленную циркуляцию текучей среды в насосе, чтобы во время холодного запуска использовать тепло, производимое самим топливным элементом.

Для этого направление циркуляции текучей среды внутри элемента чередуют, поочередно включая в работу главный контур и вспомогательный контур с переменной частотой, адаптируемой к изменению температуры жидкости-теплоносителя или любого другого рабочего параметра, характеризующего эту температуру.

Частоту меняют в соответствии со следующими двумя начальными фазами:

- в начале запуска топливного элемента ее повышают таким образом, чтобы тепловая энергия, рассеиваемая при электрохимической реакции, как можно быстрее нагревала минимум объема текучей среды-теплоносителя, причем эта повышенная частота чередования позволяет сохранять внутри элемента практически одну и туже текучую среду, которая сразу по достижении конца элемента направляется в обратном направлении к противоположному концу;

- после этой первой фазы нагрева этого небольшого количества текучей среды частоту чередования постепенно понижают, чтобы избежать перегрева элемента и чтобы тепло, накопленное небольшим количеством текучей среды, распространилось на остальную часть контура.

В частности, во время первой фазы с повышенной частотой чередования при холодном запуске топливного элемента получают достаточно малый объем текучей среды, проходящий через ячейки 4, который используют в теплообменах. Этот малый объем текучей среды перемещается и выходит из ячеек, оставаясь с двух сторон близко от этих ячеек во входном и выходном трубопроводах 12, 14, чтобы свести к минимуму нагреваемую массу текучей среды, а также теплообмены с внешним пространством.

Кроме того, этот используемый объем текучей среды должен позволять текучей среде, находящейся в центральных ячейках 4, которые нагреваются больше всего, достичь в конце движения температурных датчиков 18, 20, чтобы они могли отслеживать изменение температуры этих центральных ячеек. В этом случае устанавливают максимальную частоту чередования F (в Герцах), равную двукратному расходу D (в литрах в секунду) насоса, поделенному на объем V текучей среды (в литрах), используемый между двумя температурными датчиками 18, 20.

Изобретение обеспечивает также равномерный нагрев ячеек 4 при температуре выше 0°С до того, как количество воды, выдаваемое ячейками, насытит электролит, чтобы избежать замерзания этой воды, не абсорбированной этим электролитом.

Первый метод контроля частоты чередований направления циркуляции текучей среды-теплоносителя во время повышения температуры ячеек 4 основан на отслеживании температур, указываемых датчиками 18, 20.

Слишком сильное повышение этой температуры ограничивают за счет понижения частоты чередования во время второй начальной фазы, в которой применяют все более увеличивающийся объем текучей среды, отбирая холодную текучую среду из остальной части контура. Иначе говоря, повышение температурного градиента контролируют за счет повышения частоты чередования.

В конце при номинальной рабочей температуре ячеек 4, составляющей, например, от 20 до 80°С для топливного элемента с твердым полимерным электролитом и, в частности, от 60 до 80°С при применении на транспортном средстве, приходят к нулевой частоте чередования, что является режимом постоянной работы с использованием главного контура. При этом режиме получают постоянное прохождение текучей среды-теплоносителя в ячейках 4, затем в теплообменнике 8, что обеспечивает максимальный теплообмен.

На фиг. 2 представлен второй метод регулирования температуры ячеек 4 на ячейках, выдающих ток данной силы, основанный на отслеживании уровня напряжения V в вольтах этих ячеек в зависимости от времени t в секундах, предпочтительно измеряемого на центральных ячейках, которые нагреваются быстрее всех.

После понижения напряжения V, как показано стрелками 30, что выражает перегрев ячеек 4, связанный с первой начальной фазой, во время второй начальной фазы понижают частоту чередования, которая доходит примерно до 17 Гц, чтобы увеличить используемый объем текучей среды и понизить температуру этой текучей среды.

После этих двух начальных фаз и после повышения напряжения V, как показано стрелками 32, что выражает охлаждение ячеек 4, повышают частоту чередования, которая доходит примерно до 28 Гц, чтобы уменьшить используемый объем текучей среды и повысить температуру этой текучей среды.

Перед запуском при температуре ниже 0°С топливный элемент необходимо предварительно высушить, чтобы электролит мог абсорбировать воду, получаемую при запуске, и чтобы температура ячеек стала выше 0°С до насыщения водой электролита. Точно так же во время запуска при температуре ниже 0°С в элемент необходимо подать сухие реактивные газы. Состояние предварительного осушения топливного элемента предполагает значение внутреннего сопротивления выше номинального значения, что требует адаптации значения плотности тока во время запуска. Ее можно применять в виде постепенного повышения силы тока, чтобы ограничить затруднения в самые первые моменты запуска и чтобы иметь затем максимальную тепловую и электрическую мощность.

На фиг. 3 в зависимости от времени t в секундах показана кривая 40 выдаваемой электрической мощности W в ваттах для топливного элемента, содержащего систему охлаждения без режима чередующейся работы и запускаемого при температуре -8°С. Сначала имеющаяся мощность W увеличивается, затем резко уменьшается в момент t1 и становится нулевой в момент t2 по причине насыщения электролита водой, которая начинает замерзать.

Кривая 42 выдаваемой электрической мощности W для описанного выше топливного элемента, содержащего систему охлаждения с режимом чередующейся работы и с регулированием частоты чередования, который запускают при температуре -25°С, содержит равномерное увеличение мощности, затем в момент t3 стабилизацию этой мощности в значении W1, которое можно сохранять в течение нескольких минут.

Таким образом, отмечается, что во время запуска при гораздо более низких температурах изобретение позволяет получать значительно более высокую мощность, которую к тому же можно сохранять.

Топливный элемент, содержащий систему охлаждения в соответствии с изобретением, можно применять в автотранспортном средстве, а также в любых стационарных установках, таких как генераторный агрегат, в которых необходимо обеспечивать быстрое повышение температуры.

1. Способ работы системы охлаждения для топливного элемента, содержащей главный контур текучей среды-теплоносителя, включающий в себя циркуляционный насос (6) и теплообменник (8) для обмена с внешним пространством, которые питают входной трубопровод (12), направляющий эту текучую среду к ячейкам (4) топливного элемента, при этом текучая среда выходит из ячеек через выходной трубопровод (14) и возвращается в циркуляционный насос, при этом главный контур содержит на каждом входном (12) и выходном (14) трубопроводе управляемый трехканальный вентиль (10, 16), при этом третий свободный канал (10c) входного трубопровода (12) соединен с входом насоса (6), и третий свободный канал (16c) выходного трубопровода (14) соединен с выходом насоса, образуя вспомогательный контур текучей среды, причем входной трубопровод (12) и выходной трубопровод (14) содержат, каждый, температурный датчик (18, 20), установленный вблизи соединения с ячейками (4), отличающийся тем, что в зависимости от рабочих параметров топливного элемента изменяют частоту (F) чередований одновременного переключения двух трехканальных вентилей (10, 16) для образования вспомогательного контура или восстановления главного контура, сначала с повышенной частотой при запуске элемента, чтобы минимизировать теплообмен нагреваемой массы текучей среды с внешним пространством, затем с низкой частотой чередования, чтобы ограничить слишком сильный нагрев текучей среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимальная частота чередований (F) по существу равна двукратному расходу (D), выдаваемому насосом, поделенному на объем (V) текучей среды, используемый между двумя температурными датчиками (18, 20), расположенными вблизи соединения трубопроводов (12, 14) с ячейками (4).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту чередования (F) определяют в зависимости от изменения температуры ячеек (4).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту чередования (F) определяют при данной силе тока, выдаваемого ячейками (4), в зависимости от изменения напряжения (V) на контактах этих ячеек.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что, когда выдаваемое ячейками (4) напряжение (V) понижается (30) при перегреве ячеек, частоту чередования (F) понижают и, когда напряжение (V) повышается (32), частоту чередования повышают.

6. Генераторный агрегат, оснащенный топливным элементом, содержащим систему охлаждения, управляемую при помощи способа работы системы охлаждения для топливного элемента по одному из пп. 1-5.

7. Электрическое транспортное средство, содержащее топливный элемент, выдающий электрический ток, используемый для движения, отличающееся тем, что этот топливный элемент выполнен по п. 6.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Изобретение относится к топливным элементам. Техническим результатом является улучшение рабочих свойств увлажнительного элемента устройства топливных элементов.

Задачей изобретения является повышение выходной мощности топливного элемента и эффективности генерирования электроэнергии путем обеспечения дренажа воды из топливного элемента при активации его при температуре ниже температуры замерзания.

Изобретение относится к энергоустановкам на топливных элементах и может использоваться при проектировании автономных, резервных и транспортных энергоустановок.

Изобретение относится к источникам энергии, а именно к способам замены расходуемого электрода в воздушно-алюминиевом топливном элементе без прерывания цепи энергообеспечения.

Настоящее изобретение относится к электрогенератору на топливных элементах, специально спроектированному как резервное устройство при отсутствии сетевого электроснабжения.

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 технологии топливных элементов, а более конкретно к сборному модулю из батарей твердооксидных топливных элементов. Технический результат - обеспечение компактности, простота перехода батарея/система и улучшение характеристик системы.

Группа изобретений относится к топливным элементам. Технический результат - повышение эффективности вырабатывающего электроэнергию элемента.

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано в качестве электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов для резервного электропитания аварийных объектов, при этом в заявленном генераторе газообразный водород получают в проточном реакционном сосуде путем гидролиза водной суспензии алюминия. Повышение безопасности и эффективности работы электрохимического генератора обеспечивается за счет выполнения генератора водорода в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, входы которого соединены трубопроводами с баком водной суспензии алюминия и с баком водного раствора едкого натра при их одновременном подключении к системе вытеснения в виде баллона со сжатым газом. Первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия соединен с первым входом батареи топливных элементов, а второй выход - с баком для сбора водного раствора продуктов гидролиза. Батарея топливных элементов снабжена системой подачи кислорода, подключенной к батарее баллонов с кислородом. 1 ил.

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано в качестве электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов для резервного электропитания аварийных объектов, при этом в заявленном генераторе газообразный водород получают в проточном реакционном сосуде путем гидролиза водной суспензии алюминия. Повышение безопасности и эффективности работы электрохимического генератора обеспечивается за счет выполнения генератора водорода в виде проточного реакционного сосуда гидролиза алюминия, входы которого соединены трубопроводами с баком водной суспензии алюминия и с баком водного раствора едкого натра при их одновременном подключении к системе вытеснения в виде баллона со сжатым газом. Первый выход реакционного сосуда гидролиза алюминия соединен с первым входом батареи топливных элементов, а второй выход - с баком для сбора водного раствора продуктов гидролиза. Батарея топливных элементов снабжена системой подачи кислорода, подключенной к батарее баллонов с кислородом. 1 ил.

Резервный электрический генератор (1) с батареей топливных ПОМ-элементов, включающий в себя: батарею (2) топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов (3), электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку; прибор (4) контроля напряжения элемента для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом (3); блок (5) регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батареей (2) топливных элементов и электрической нагрузкой; нагнетатель (6) для подачи количества воздуха, необходимого для химических реакций, которые происходят в топливных элементах (3); рециркулятор (7) водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи (2) топливных элементов; устройство (8) продувки водорода для осуществления первичной продувки водорода при меньшем расходе и вторичной продувки водорода при большем расходе; и контроллер (11), запрограммированный для управления работой электрического генератора (1) по-разному при запуске, при останове и во время его нормальной работы. Повышение надежности работы и срока службы резервного электрического генератора является техническим результатом изобретения. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение обносится к области электротехники, а именно к системе комбинированного цикла на основе твердооксидных топливных элементов. Топливный элемент комбинированного цикла включает топливный элемент, такой как твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), включающий анод, который вырабатывает отходящий газ, риформинг углеводородного топлива, который обеспечивает смешивание углеводородного топлива с отходящим газом топливного элемента ниже по потоку от топливного элемента и частичное или полное преобразование углеводородного топлива в водород (H2) и монооксид углерода (СО), при этом канал для топлива обеспечивает отведение первой части подвергнутого риформингу топлива на вход анода топливного элемента. Топливный элемент комбинированного цикла включает органический цикл Ренкина (ОЦР), выполненный с возможностью удаления тепла из оставшейся части подвергнутого риформингу топлива и доставки охлажденной оставшейся части подвергнутого риформингу топлива в утилизационный цикл, который может представлять собой двигатель внешнего или внутреннего сгорания, такой как газопоршневой двигатель или газовая турбина, который приводят в действие охлажденной оставшейся частью подвергнутого риформингу топлива. Увеличение КПД топливного элемента комбинированного цикла является техническим результатом изобретения. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гибридному устройству, в состав которого входит топливный элемент и термоакустический холодильник, который производит термоакустическую энергию с использованием выхлопного газа, выходящего из энергоблока. Гибридная система согласно настоящему изобретению включает устройство на топливных элементах и термоакустический холодильник (14), который содержит производящую термоакустическую энергию секцию (20), в которой термоакустическая энергия производится за счет температурного градиента между высокотемпературной стороной и низкотемпературной стороной; и охлаждающую секцию (21), в которой функция охлаждения осуществляется на низкотемпературной стороне с использованием температурного градиента между высокотемпературной стороной и низкотемпературной стороной; теплообменник гибридной системы, который осуществляет теплообмен между выхлопным газом, выходящим из устройства на топливных элементах и текучей средой и снижает температуру выхлопного газа после его прохождения через высокотемпературную сторону термоакустической секции; при этом термоакустический холодильник установлен на циркуляционном потоке между теплообменником (6) и высокотемпературной стороной охлаждающей секции и предназначен для охлаждения текучей среды циркуляционного потока, который проходит через выпуск теплообменника (6). Повышение суммарного коэффициента полезного действия производящих энергию устройств гибридной системы является техническим результатом изобретения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к способу эксплуатации бифункциональной электрохимической системы, содержащей анодную и катодную электродные камеры с четырехходовыми клапанами на входе и выходе из электродных камер, резервуар-сепаратор с водой, соединенный с анодной и катодной камерами и с контейнерами хранения водорода и кислорода, насосы, включающему очистку от газов анодной и катодной электродных камер при смене режимов работы, отличающемуся тем, что систему снабжают дополнительными насосами и дополнительным резервуаром-сепаратором с водой, сообщающимся с источником поступления воды и имеющим выходы для подсоединения трубопроводов к входам анодной и катодной камер бифункциональной электрохимической системы, осуществляют очистку электродных камер путем закачивания в них воды из дополнительного резервуара и вытеснения оставшихся газов из анодной и катодной камер в контейнеры для хранения водорода и кислорода. Также изобретение относится к бифункциональной электрохимической системе. Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в улучшении массогабаритных характеристик БЭС, снижении ее стоимости, эксплуатационных расходов и повышении экономичности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначено для отведения отработанных технологических газов из горячего бокса энергоустановки и управления тепловой энергией, вырабатываемой энергоустановкой в процессе реализации химических реакций. Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах содержит расположенный в теплоизолированном корпусе теплообменник, корпус которого снабжен входом для продуктов реакции из горелки и выходом для выхлопных газов, а также дополнительно второй теплообменник, расположенный в теплоизолированном корпусе последовательно и симметрично первому теплообменнику и соединенный с ним посредством трубопровода. Теплоизолированный корпус второго теплообменника снабжен двумя входами для подачи воздуха и двумя выходами для нагретого воздуха, вход для продуктов реакции горелки посредством трубопровода сообщен с первым теплообменником, а выход для выхлопных газов посредством трубопровода сообщен со вторым теплообменником. Первый вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через первый теплообменник с первым выходом для нагретого воздуха, а второй вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через второй теплообменник со вторым выходом для нагретого воздуха, при этом первый выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с катодным каналом топливной батареи, а второй выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с эжектором. Каждый теплообменник выполнен в виде трубчатого теплообменника, трубы которого расположены равномерно, при этом диаметр труб составляет от 0,3 до 1 см. Повышение кпд модуля, а также повышение его надежности является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к твердооксидному топливному элементу или твердооксидной топливной ячейке и способу их эксплуатации. Твердооксидный топливный элемент содержит a) несколько блоков (5) катод-анод-электролит (КАЭ), при этом каждый блок (5) КАЭ содержит первый электрод (51) для окисляющего средства, второй электрод (53) для горючего газа и твердый электролит (52) между первым электродом (51) и вторым электродом (52), и b) металлическое межблочное соединение (40) между блоками (5) КАЭ, при этом межблочное соединение (40) содержит: первый газораспределительный элемент (10), содержащий газораспределительную конструкцию (11) для горючего газа, при этом первый газораспределитвельный элемент (10) находится в контакте со вторым электродом (53) блока (5) КАЭ, и второй газораспределительный элемент (4), содержащий каналы (20а) для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы (20b) для текучей среды для термообработки, при этом каналы (20а) для окисляющего средства находятся в контакте с первым электродом (51) соседнего блока (5) КАЭ, и первый газораспределительный элемент (10) и второй газораспределительный элемент (4) соединены электрически. Повышение эффективности и надежности работы топливного элемента за счет использования плотных межблочных соединений, обеспечивающих улучшенный внутренний теплообмен, является техническим результатом изобретения. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 32 ил.

Изобретение относится к системе топливных элементов, способу управления системой и предназначено для предотвращения высыхания топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой. Система топливных элементов содержит по меньшей мере один топливный элемент, измеритель сопротивления, выполненный с возможностью измерять сопротивление топливного элемента, и ограничитель тока, выполненный с возможностью ограничения выходного тока топливного элемента с использованием уровня ограничения. Ограничитель тока изменяет уровень ограничения на основании измеренного значения сопротивления. Предложенная система позволяет применить ограничение тока до высыхания мембраны топливного элемента, в результате чего происходит предотвращение увеличения тепла топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой. Повышение эффективности работы единичных элементов в системе топливных элементов является техническим результатом изобретения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическому генератору, и может быть использовано в качестве источника электропитания для портативной техники и в качестве зарядного устройства аккумуляторов для портативной техники. Повышение выходных электрических характеристик источника электропитания и создание простого и эффективного автономного источника электропитания на топливных элементах является техническим результатом изобретения. Портативный водородный источник электропитания содержит корпус с батареей топливных элементов с заменяемым источником газообразного водорода, в качестве которого используют, например, металлогидридный водород, и имеет модульную структуру, с возможностью замены отдельных модулей, для изменения габаритно-весовых характеристик и энергоемкости устройства. Водородная газовая линия в источнике электропитания выполнена с быстроразъемным магнитным или резьбовым соединением и с клапаном продувки анодной области, а также содержит управляющую и регулирующую режим работы топливного элемента электронику. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к системам охлаждения топливных элементов. Технический результат - обеспечение быстрого запуска при низких температурах. Система охлаждения для топливного элемента, содержащая главный контур текучей среды-теплоносителя, включающий в себя циркуляционный насос и теплообменник для обмена с внешним пространством, которые питают входной трубопровод, направляющий эту текучую среду к ячейкам топливного элемента, при этом текучая среда выходит из ячеек через выходной трубопровод и возвращается в циркуляционный насос, отличающаяся тем, что главный контур содержит на каждом входном и выходном трубопроводе управляемый трехканальный вентиль, при этом третий свободный канал входного трубопровода соединен с входом насоса, и третий свободный канал выходного трубопровода соединен с выходом насоса, образуя вспомогательный контур текучей среды. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх