Устройство для изучения структуры и принципа действия твердооксидного топливного элемента

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики, а именно к устройству, являющемуся наглядно-методическим пособием, и может быть использовано для проведения лабораторно-практических занятий в образовательных учреждениях при изучении курса альтернативной энергетики. Предложенное устройство является своего рода тренажером для работы с твердооксидным топливным элементом (ТОТЭ). Устройство для изучения структуры и принципа действия топливного элемента включает ячейку для исследуемого ТОТЭ, оснащенную нагревателем, расходомер, по меньшей мере один регулятор расхода топливного газа, по меньшей мере один патрубок для подвода топливного газа к устройству, средство для отображения информации и ввода данных, плату управления, систему трубок и проводных соединений, причем плата управления соединена посредством проводных соединений с нагревателем и средством для отображения информации и ввода данных, а расходомер установлен непосредственно на плате или соединен с ней проводным соединением, кроме того плата управления содержит проводные соединения для электрического контакта с исследуемым ТОТЭ. Устройство дополнительно может быть снабжено дожигателем уходящих газов, размещенным на выходе из ячейки, а также риформером, размещенным на линии подачи топливного газа в ячейку для исследуемого ТОТЭ. Кроме того устройство может быть снабжено средством принудительной подачи окислителя в ячейку для исследуемого ТОТЭ и/или в риформер и дожигатель. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей учебно-методического оборудования, а именно устройства (стенда) для изучения структуры и принципа действия топливного элемента. Предлагаемое техническое решение также направлено на обеспечение визуального контроля процесса оптимизации рабочих параметров устройства. В частности, предлагаемое изобретение дает возможность более эффективно ознакомиться с работой ТОТЭ за счет непосредственного наглядного регулирования происходящих в нем процессов путем подбора оптимальных параметров. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики, а именно к устройству, являющемуся наглядно-методическим пособием и может быть использовано для проведения лабораторно-практических занятий в образовательных учреждениях при изучении курса альтернативной энергетики. Предложенное устройство является своего рода тренажером для работы с твердооксидным топливным элементом (ТОТЭ).

Одним из преобладающих направлений развития современной энергетики является, так называемая, «зеленая энергетика». В процессе работы соответствующих энергоустановок не происходит загрязнения окружающей среды.

К экологически чистой энергетике, безусловно, относится энергетика, основанная на использовании водорода, либо природного, попутного, а также синтез-газа в качестве носителя для аккумулирования, транспортировки и последующей выработки электроэнергии.

В настоящее время разработан ряд топливных элементов (ТЭ), относящихся к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии топлива (водорода, синтез-газа и др.) в электрическую и тепловую энергию, например, (RU 160133 U1, 10.03.2016), а также, например, (RU 2625460 С2, 2015).

Однако, эксплуатация электрохимических генераторов на основе таких ТЭ требует особых знаний и навыков, которые в настоящее время плохо развиты у потребителей. В связи с этим, необходимо дополнительное освящение в образовательных программах или наглядных пособиях принципа работы ТЭ и других электрохимических устройств.

Это особенно важно для начинающих специалистов, в частности, студентов.

В настоящее время существует большое количество наглядных пособий, например, обучающих стендов, в разных областях техники. Но в области водородной энергетики недостаточно методических пособий в виде обучающих стендов для изучения структуры и принципа действия топливных элементов. Так, к примеру, известно устройство (RU 2678902). Однако оно предназначено для изучения структуры и принципа действия только водородного топливного элемента с протоно-обменной мембраной и не может быть использовано для изучения структуры и принципа действия твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ).

Из уровня техники не выявлено устройств (стендов) для изучения структуры и принципа действия именно твердооксидных топливных элементов.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей учебно-методического оборудования, а именно устройства (стенда) для изучения структуры и принципа действия топливного элемента.

Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение визуального контроля процесса оптимизации рабочих параметров устройства. В частности, предлагаемое изобретение дает возможность более эффективно ознакомиться с работой ТОТЭ за счет непосредственного наглядного регулирования происходящих в нем процессов путем подбора оптимальных параметров.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для изучения структуры и принципа действия топливного элемента включает ячейку для исследуемого ТОТЭ, оснащенную нагревателем (при необходимости с измерителем температуры), расходомер (измеритель потока расходуемых газов), по меньшей мере, один регулятор расхода топливного газа, по меньшей мере, один патрубок для подвода топливного газа к устройству, средство для отображения информации и ввода данных, плату управления, систему трубок и проводных соединений, причем плата управления соединена посредством проводных соединений с нагревателем и средством для отображения информации и ввода данных, а расходомер установлен непосредственно на плате или соединен с ней проводным соединением, кроме того плата содержит проводные соединения, для контакта с исследуемым ТОТЭ.

Средством для отображения информации и ввода данных, в зависимости от используемого оборудования, в частности, может представлять собой либо экран с сенсорным управлением, либо монитор с клавиатурой.

При использовании органического топлива устройство снабжают риформером (блоком топливоподготовки), размещенным на линии подачи топливного газа в ячейку для исследуемого ТОТЭ.

При необходимости полного окисления избыточных газов на выходе из ячейки устанавливают дожигатель уходящих газов. Необходимость установки дожигателя может возникнуть как при использовании водородного топлива, так и органического.

Устройство может быть снабжено средством принудительной подачи окислителя (блоком подачи окислителя) в ячейку для исследуемого ТОТЭ и/или в риформер и дожигатель.

Устройство дополнительно снабжено защитным термопрочным экраном.

Под ячейкой понимается конструкция, в которой располагают исследуемый ТОТЭ и подсоединяют его к проводным соединениям и патрубками к блоку топливоподготовки и к блоку подачи окислителя. Ячейка может быть дополнительно снабжена измерителем температуры ТОТЭ, например, термопарой.

Под патрубками понимаются элементы соединения микротрубчатого твердооксидного топливного элемента (МТ ТОТЭ) с топливоподводящими трубками (шлангами). На чертежах показан частный случай исполнения патрубка.

Предложенное изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На Фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства;

На Фиг. 2 - то же в аксонометрии;

На Фиг. 3 - вид сзади (со снятой задней крышкой корпуса (основания);

На Фиг. 4 - продольный разрез устройства (вид сзади);

На Фиг. 5 - ячейка с нагревателем и с размещенным в ней исследуемым ТОТЭ;

На Фиг. 6 - общий вид микротрубчатого ТОТЭ с зафиксированными на электродах токосъемными проволоками;

На Фиг. 7 - вывод анодного токосъема.

Устройство для изучения структуры и принципа действия твердооксидного топливного элемента, включает, ячейку 1 для размещения исследуемого ТОТЭ 2, оснащенную нагревателем 3 топливного элемента и, при необходимости, измерителем температуры (на чертеже не показан). Кроме того, в состав заявленного устройства входят, по меньшей мере, один расходомер 4, средство 5 отображения информации и ввода данных (сенсорный экран или монитор с клавиатурой), а также плата управления (не показана). Плата управления может быть как с модулем электронной нагрузки, так и без нее, при этом нагрузка может быть внешняя.

При использовании органического топлива устройство дополнительно оснащается риформером 6 (блоком топливоподготовки), который необходим для преобразования органического топлива в синтез-газ, дожигателем 8 для полного окисления остаточных компонентов топливного газа, а также нагнетателями воздуха (вентиляторы 9 и 10), установленными перед риформером 6 и дожигателем 8 соответственно. Между патрубком 7 для подключения источника топлива (баллона) и риформером 6 может быть установлен запорный электромагнитный клапан (на чертежах не указан). Как правило, запорный клапан присутствует на баллонах с газом (топливом). Риформер 6 или дожигатель 8 могут быть дополнительно оснащены нагревателями (на чертежах не указаны) для разогрева риформера и дожигателя до рабочих температур и измерителями их температуры (на чертежах не указаны).

Расходомер 4 расположен между патрубком для подключения баллона с топливом и входным патрубком 11 для подвода топливного газа к ТОТЭ. Присоединение расходомера осуществляется посредством трубок и/или гибких шлангов. К плате управления и модулю электронной нагрузки подключены посредством проводных соединений (не показаны на чертежах) твердооксидный топливный элемент 2, нагреватель 3 ячейки 1 и средство 5 отображения информации и ввода данных, а также, при их наличии, вентиляторы 9, 10 и 12, и, не указанные на чертежах, измеритель температуры ячейки, нагреватели риформера и дожигателя, измерители температуры риформера и дожигателя. Расходомер 4 может быть подключен к плате проводными соединениями, а может быть закреплен непосредственно на самой плате.

Подача окислителя для химической реакции, проходящей в твердооксидном топливном элементе осуществляется за счет конвективного переноса кислорода воздуха. Может быть применена схема с принудительной подачей окислителя путем нагнетания его насосом или вентилятором 12.

Устройство может быть дополнительно оборудовано средством для обдува (охлаждения) платы управления и модуля электронной нагрузки, например, вентилятором (не показан).

Также устройство дополнительно может содержать разъем для подключения внешней нагрузки, который соединяют с топливным элементом силовым проводом. Данный порт необходим для подключения внешних устройств или преобразователей напряжения и тока.

Средство для ввода данных может быть выполнено в разных вариациях. Так, например, оно может быть выполнено в виде отдельного блока, например, клавиатуры, или же функции указания и ввода на сенсорном экране, или же мышь, подключенная через USB-порт, или же содержать квадратурный энкондер.

Устройство может быть дополнительно снабжено датчиками монооксида углерода, диоксида углерода, водорода, углеводородов. Такие датчики позволяют аварийно отключить устройство путем перекрытия электромагнитного клапана в случае регистрации датчиком утечки топлива во внешнюю среду, либо в случае превышения пороговых значений в выхлопных газах.

В качестве источника топлива используется:

- баллон с металлогидридом, в котором водород хранится в связанном состоянии в виде гидрида и выделяется в диапазоне комнатных температур;

- баллон со сжатым водородом;

- баллон со сжиженным органическим топливом;

- баллон со сжатым углеводородным топливом.

Все элементы устройства могут быть расположены на основании. В качестве основания может быть использован стол, стенд и т.п.

На основании могут быть расположены посадочные места для баллона с топливом и для запасных баллонов с топливом, а также разъем для подключения к внешнему источнику топлива. На основании могут располагаться органы управления параметрами работы устройства.

Такие элементы конструкции как расходомер, электронная плата управления, электронная нагрузка и вентиляторы располагаются в корпусе устройства.

Заявленное устройство для изучения структуры и принципа действия твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) является своеобразным тренажером и может использоваться начинающими специалистами для приобретения навыков работы с ТОТЭ.

Для работы ТОТЭ необходимы топливо и окислитель. В качестве топлива используют водород либо органическое газообразное топливо, а в качестве окислителя кислород из окружающего воздуха.

Баллон с топливом, который является сменным (на чертеже не показан), подключается к патрубку 7, расположенному на корпусе 13 устройства. Водород из баллона с водородом через понижающий газовый редуктор, запорный электромагнитный клапан (на чертеже не показан) и расходомер 4 поступает по трубкам и шлангам в твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). В случае использования органического топлива (синтез-газ или др.) топливо из баллона поступает в риформер 6 через понижающий газовый редуктор, запорный электромагнитный клапан (на чертеже не показан) и расходомер 4 по трубкам. Кислород из воздуха, необходимый для реакции преобразования топлива в риформере 6, поступает путем нагнетания его вентилятором 9. Кислород из воздуха, необходимый для реакции окисления остаточных компонентов топлива в дожигателе 8, поступает путем нагнетания его вентилятором 10, мембранным насосом или другим типом нагнетателя. Входящая температура воздуха равна температуре окружающей среды. В твердооксидном топливном элементе 2 происходит непосредственное преобразование химической энергии топлива (синтез-газ, водород, СО, углеводороды) в электрическую и тепловую. За счет реакции окисления топлива на электродах 14, 15 (катод и анод соответственно) топливного элемента 2 создается разность потенциалов. Изменения электрохимических показателей топливного элемента (в зависимости от внешних условий), можно регистрировать, путем подключения нагрузки к электродам 14, 15 тоководами 16.

Индикация измеренных и установленных величин осуществляется на средстве 5. Расходомер 4 регистрирует и контролирует расход топлива, поступающего в топливный элемент 2 или в риформер 6 (в зависимости от вида используемого топлива).

Средство 5 необходимо для обеспечения наглядности происходящих процессов в работе топливного элемента при одновременной возможности подбора оптимальных параметров (режимов) работы устройства.

Устройство оборудовано регулятором расхода топливного газа, рукоятки 17 которого размещены на передней панели устройства.

Поскольку работа ТОТЭ осуществляется при очень высоких температурах, то конструкция заявленного устройства предполагает наличие термозащитного экрана, обеспечивающего безопасность проведения работ по изучению структуры и принципа действия твердооксидного топливного элемента. Термозащитный экран может быть прозрачным, например, из кварцевого или другого жаростойкого стекла, и обеспечивает наглядность процессов нагрева и охлаждения ТОТЭ, а также дополнительный визуальный контроль целостности исследуемого ТОТЭ.

Средство ввода данных позволяет задать необходимые режимы работы. На мониторе (дисплее) отображаются заданные параметры работы устройства и измеряемые величины, такие как электрический ток исследуемого ТОТЭ, напряжение исследуемого ТОТЭ, мощность исследуемого ТОТЭ, расход топлива, потоки воздуха, температура исследуемого ТОТЭ, температура в камере риформера, а также температура в дожигателе.

Электронная нагрузка позволяет имитировать потребителя. Вся электрическая энергия, передаваемая на электронную нагрузку, переходит в ней в тепловую энергию, которая рассеивается в воздухе, чему может способствовать дополнительно установленный вентилятор.

Иногда целесообразно дополнить устройство разъемами или клеммами для подключения внешней нагрузки. Разъемы или клеммы позволяют подключить внешнего потребителя и измерить напряжение сторонними приборами, и могут быть расположены на плате управления устройства.

Пример конкретного осуществления работы заявленного устройства.

Сначала проводится подготовка образца микротрубчатого твердооксидного топливного элемента (МТ-ТОТЭ) для проведения измерений.

Для этого на поверхность катода наматывается проволока 18 из сплава на основе серебра. Шаг намотки ~ 10-15 мм. Для улучшения контакта проволоки с поверхностью катода можно применить проводящую пасту на основе серебра или платины.

Затем внутрь МТ-ТОТЭ помещается тонкая никелевая проволока 19 сложенная втрое (анодный токосъем), так, чтобы с двух сторон топливного элемента концы проволоки выступали на 15-25 мм.

После этого на концы МТ-ТОТЭ надеваются силиконовые шланги 20 с пластиковыми переходниками 21, фиксируя собой анодный токосъем с обоих концов твердооксидного топливного элемента. Никелевая проволока 19, зажатая шлангами, выводится наружу.

С устройства на время установки МТ-ТОТЭ в ячейку снимается термозащитный экран.

Внутрь цилиндрического нагревательного элемента 3 ячейки помещается измеряемый образец МТ-ТОТЭ. Фиксация топливного элемента производится патрубками 11 (например, в виде силиконовых шлангов), соединяющими трубки подвода и отвода топливных газов с пластиковыми переходниками 21, установленными на топливном элементе 2.

Схема дальнейшего соединения элементов устройства:

Вариант 1. При использовании водорода.

Баллон с водородом через входной патрубок и понижающий редуктор подключен по схеме: баллон с водородом - понижающий редуктор - электромагнитный клапан - регулятор расхода топливного газа - расходомер - МТ ТОТЭ (через патрубки 11 ячейки) - выходной патрубок 22.

При необходимости окисления избыточных газов водорода, перед патрубком 22 устанавливают дожигатель 8.

Вариант 2. При использовании органического, например, углеводородного топлива.

Баллон с углеводородным топливом через входной патрубок и понижающий редуктор подключен по схеме: баллон с топливом - понижающий редуктор - электромагнитный клапан - регулятор расхода топливного газа - расходомер - риформер - МТ ТОТЭ (через патрубки 11 ячейки) - дожигатель 8 - выходной патрубок 22.

Вариант 3. Возможно совмещение двух схем (вариант 1 и вариант 2) в одном устройстве.

Далее приведены частные примеры проведения измерений.

Проведение измерений на топливной смеси пропан-бутан.

К быстроразъемному соединению на боковой поверхности устройства подключается баллон с сжиженной пропан-бутановой смесью.

Включение питания устройства производится переключателем, расположенным, например, на задней панели устройства (стенда).

Для проведения измерений на пропан-бутановой смеси, на дисплее необходимо выбрать необходимый тип топлива - «пропан-бутан».

Целевая температура нагревателя топливного элемента задается вручную на дисплее и обеспечивается автоматически платой управления с помощью контроля температуры термопарой. Диапазон температур 500-750°С.

Автоматически включается нагрев дожигателя до температуры не менее 350°С. Автоматически включается подача воздуха в дожигатель центробежным вентилятором.

После нагрева дожигателя до целевой температуры на дисплей выводится сообщение о включении нагрева риформера.

Автоматически включается нагрев риформера до достижения им температуры 650°С и подача воздуха в риформер мембранным насосом.

После нагрева риформера до целевой температуры на дисплей выводится предупреждение о необходимости подачи топлива перед нагревом ячейки с топливным элементом.

После подтверждения готовности к включению нагрева ячейки, необходимо вручную открыть вентиль на баллоне с газом и по показаниям расходомера на экране установить необходимый поток игольчатым вентилем (регулятором расхода топлива) при помощи рукоятки 17.

После выхода нагревателя ячейки с топливным элементом на заданную температуру выводится сообщение о готовности к проведению измерений.

По нажатию на пункт меню «Снять ВАХ» (вольтамперная характеристика) автоматически производится построение ВАХ исследуемого МТ-ТОТЭ путем автоматического изменения собственного внутреннего сопротивления встроенной в плату управления электронной нагрузки.

Проведение измерений на водороде.

Включение питания устройства производится переключателем, расположенным, например, на задней панели устройства (стенда).

Для проведения измерений на водороде, на дисплее необходимо выбрать необходимый тип топлива - «водород».

Целевая температура нагревателя топливного элемента задается вручную на дисплее. Диапазон температур 500-750°С.

На дисплей выводится предупреждение о необходимости подачи топлива перед нагревом ячейки с топливным элементом.

После подтверждения готовности к включению нагрева ячейки, необходимо подключить металлогидридный баллон с водородом к быстроразъемному соединению на боковой поверхности устройства, по показаниям расходомера на экране установить необходимый поток игольчатым регулятором расхода топлива при помощи рукоятки 17.

После выхода нагревателя ячейки с топливным элементом на заданную температуру выводится сообщение о готовности к проведению измерений.

По нажатию на пункт меню «Снять ВАХ» автоматически производится построение ВАХ топливного элемента.

Проведение лабораторно-практических занятий на предложенном устройстве позволяет изучить:

структуру, конструкцию и принцип действия твердооксидного топливного элемента;

термодинамику топливного элемента;

характеристическую кривую и кривую изменения мощности топливного элемента;

коэффициент полезного действия;

необходимые компоненты для формирования источников электропитания на основе твердооксидных топливных элементов автономного энергоснабжения устройств;

силовую электронику и преобразование напряжения.

Режимы и параметры, которые возможно установить на предлагаемом устройстве:

- Температура отключения: максимальная температура какого-либо из блоков устройства (при наличии соответствующих измерителей температуры), при которой перекроется подача топлива в риформер или топливный элемент путем перекрытия запорного электромагнитного клапана.

- Скорость вращения вентилятора подачи окислителя к топливному элементу.

- Установка режима электронной нагрузки: режимы постоянного тока (изменяется напряжение), постоянного напряжения (изменяется ток) и постоянной мощности.

Разработанное наглядно-методическое устройство может использоваться как для демонстрации работы альтернативных источников энергии, так и в качестве обучения и тренинга персонала, работающего в области энергетики.

1. Устройство для изучения структуры и принципа действия твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), включающее ячейку для исследуемого ТОТЭ, оснащенную нагревателем, расходомер, по меньшей мере, один регулятор расхода топливного газа, по меньшей мере, один патрубок для подвода топливного газа к устройству, средство для отображения информации и ввода данных, плату управления, систему трубок и проводных соединений, причем плата управления соединена посредством проводных соединений с нагревателем и средством для отображения информации и ввода данных, а расходомер установлен непосредственно на плате или соединен с ней проводным соединением, кроме того плата управления содержит проводные соединения для электрического контакта с исследуемым ТОТЭ.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено дожигателем уходящих газов, размещенным на выходе из ячейки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено риформером, размещенным на линии подачи топливного газа в ячейку для исследуемого ТОТЭ.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что оно снабжено средством принудительной подачи окислителя в ячейку для исследуемого ТОТЭ и/или в риформер и дожигатель.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено защитным термопрочным экраном.