УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
FUEL CELL STRUCTURE AND OPERATING PRINCIPLE STUDYING DEVICE

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики, а именно к устройству (наглядно-методическому пособию) для проведения лабораторно-практических занятий в старших классах средних образовательных школ, в учреждениях начального профессионального, среднего профессионального и высшего профессионального образования по курсу альтернативной энергетики. Предложенное устройство является своего рода тренажером для работы с топливным элементом.
Одним из преобладающих направлений развития современной энергетики является, так называемая, «зеленая энергетика». В процессе работы соответствующих энергоустановок не происходит загрязнения окружающей среды. В этом смысле водородная энергетика, основанная на использовании водорода в качестве носителя для аккумулирования, транспортировки и последующей выработки электроэнергии безусловно относится к экологически чистой энергетике, поскольку в процессе получения энергии продуктом реакции является только вода.
В настоящее время разработан, например, топливный элемент (ТЭ), относящийся к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии окисления водорода кислородом воздуха или чистым кислородом в электрическую энергию (RU 160133 U1,10.03.2016).
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 подобных наглядных пособий, в частности, обучающих стендов, в разных областях техники.
Так, например, из патента RU 2490720 СТ, 20.08.2013 известен мобильный учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов, который относится к области обучающих устройств, а именно к техническим средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов.
Также известен стенд для изучения основ электро- и радиотехники RU 131891 U1, 27.08.2013. Данный стенд предназначен для демонстрации на одной базовой простой установке (стенде) и на простых схемотехнических решениях принципы построения и работы широкого спектра ключевых основополагающих схем и устройств электро- и радиотехники.
Что же касается водородной энергетики, то из уровня техники не выявлено аналогов, в частности устройств (стендов) 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 ТЭ за счет наглядного регулирования происходящих в нем процессов путем подбора оптимальных параметров.
Устройство для изучения структуры и принципа действия топливного элемента, включает, по меньшей мере, одну батарею топливных элементов с клапаном продувки, который необходим для осуществления продувки области поступления водорода в батарею топливных элементов, понижающий газовый редуктор с патрубком для установки источника водорода, по меньшей мере, один расходомер, средство для подачи окислителя к батарее топливных элементов, средства отображения информации и ввода данных, а также плату управления и модуль электронной нагрузки. Расходомер расположен между редуктором и батареей топливных элементов и соединен с ними посредством трубок. К плате управления и модулю электронной нагрузки подключены посредством проводных соединений расходомер, батарея топливных элементов, клапан продувки, а так же устройства отображения информации и ввода данных.
Под окислителем в данном устройстве понимают кислород, в том числе из воздуха.
В качестве средства для подачи окислителя возможно использовать вентилятор. Причем вентилятор также выполняет функцию охлаждения батареи топливных элементов.
В качестве средства отображения информации можно использовать монитор.
Провода, соединяющие батарею топливных элементов с платой управления и модулем электронной нагрузки являются силовыми.
Между патрубком для установки источника водорода и батареей топливных элементов может быть установлен запорный клапан, при этом количество запорных клапанов будет соответствовать количеству батарей топливных элементов. Запорный клапан устанавливают в случае отсутствия в расходомере возможности перекрытия подачи водорода. Его установка необходима для перекрытия подачи водорода к батарее топливных элементов.
Устройство может быть дополнительно оборудовано средством для обдува (охлаждения) платы управления и модуля электронной нагрузки, например, вентилятором.
Также устройство дополнительно может содержать порт для подключения внешней нагрузки, который соединяют с батареей топливных элементов силовым проводом. Данный порт необходим для подключения внешних устройств или преобразователей напряжения и тока.
Устройство может дополнительно содержать квадратурный энкондер.
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).
Устройство может быть дополнительно снабжено датчиком водорода. Такой датчик позволяет аварийно отключить устройство в случае регистрации им утечки водорода во внешнюю среду.
В качестве источника водорода используют баллон с металлогидридом, в котором водород хранится в связанном состоянии в виде гидрида и выделяется в диапазоне комнатных температур. Дополнительно можно использовать баллон со сжатым водородом.
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 водородом и для запасных баллонов с водородом.
На корпусе может находиться интерфейс.
Предлагаемое изобретение поясняется рисунками.
На Фиг. 1 изображено устройство в сборе.
На Фиг. 2 схематично показаны соединения элементов
На Фиг. 1 присутствуют следующие обозначения:
1 - батарея топливных элементов
2 - клапан продувки
3 - понижающий газовый редуктор
4 - источник водорода (баллон с водородом)
5 - расходомер
6 - устройство отображения информации (на рисунке указан монитор)
7 - средство ввода данных (на рисунке указана клавиатура)
8 - плата управления и модуль электронной нагрузки
9 - трубки
10 - порт/клеммы для подключения внешней нагрузки
11 - квадратурный энкондер
12 - датчик водорода
13 - основание
14 - посадочное место для источника водорода (для баллона с водородом)
15 - посадочное место для дополнительных (запасных) баллонов с источником водородом
На Фиг. 1 изображен вариант расположения элементов устройства на стенде. Практически все элементы расположены на основании 13 корпуса (стенда), внутри которого, как правило, устанавливают средство для подачи воздуха, охлаждающее плату управления и модуль электронной нагрузки, например, таким средством может быть вентилятор (на фиг. 1 не изображен). Также внутри стенда можно установить расходомер 5. Кроме того, на фиг. 1 сама батарея топливных элементов расположена в корпусе, внутри которого, как правило, устанавливают средство для подачи окислителя (например, кислорода из окружающего воздуха)
Принцип работы устройства, являющегося тренажером для работы с топливным элементом:
Для работы устройства необходимы топливо и окислитель. В качестве топлива используют водород, а в качестве окислителя кислород из окружающего воздуха.
Баллон 4 с водородом, который является сменным, устанавливают в посадочное место 14, соединяя баллон с патрубком редуктора. Дополнительные (запасные) баллоны 4 могут находиться в посадочных местах 15. Водород из баллона 4 поступает в батарею 1 топливных элементов через понижающий газовый редуктор 3 и расходомер 5 по трубкам 9. Кислород из воздуха поступает путем нагнетания его через открытые каналы топливных элементов средством для подачи воздуха, например, осевым вентилятором (см. фиг. 2), который помимо нагнетания воздуха обеспечивает охлаждение батареи топливных элементов путем вынужденной конвекции. Входящая температура воздуха равна температуре окружающей среды. В процессе работы топливного элемента его температура будет повышаться, соответственно при нагнетании воздуха в батарею топливных элементов будет происходить теплообмен и температура воздуха на выходе из батареи топливных элементов будет отличаться на величину t теплоотдачи. Зная расход воздуха и его теплоемкость можно рассчитать количество уносимого тепла. В батарее топливных элементов 1 происходит непосредственное преобразование химической энергии водорода в электрическую и тепловую. Водород, окисляясь кислородом отдает электроны, которые идут во внешнюю цепь, образуя на концах токоотводов разность потенциалов, которая подключается к нагрузке (внешней либо внутренней электронной нагрузке).
Индикация измеренных и установленных величин осуществляется на мониторе 6 и на цифровом табло платы 8.
Расходомер 5 регистрирует и контролирует расход водорода, поступающего в батарею топливных элементов 1. Существуют разные расходомеры и в случае, когда расходомер не имеет возможность запирания потока водорода, устанавливают запорный клапан на входе в батарею топливных элементов 1
Средства 6 отображения информации (например, монитор) и 7 ввода данных необходимы как раз для обеспечения наглядности происходящих процессов в работе батареи топливных элементов при одновременной возможности подбора оптимальных параметров (режимов) работы устройства.
Средство 7 ввода данных позволяет задать необходимые режимы работы. На мониторе (дисплее) отображаются заданные параметры работы устройства и измеряемые величины, такие как электрический ток, напряжение, мощность, расход водорода, температуру батареи топливных элементов, температуру воздуха на входе в батарею топливных элементов, а также температуру на выходе из батареи топливных элементов и объемный расход воздуха.
Электронная нагрузка позволяет имитировать потребителя. Вся электрическая мощность, передаваемая на электронную нагрузку, переходит в ней в тепловую энергию, которая рассеивается в воздухе, чему может способствовать дополнительно установленный вентилятор.
Иногда целесообразно дополнить устройство портом 10 (клеммой) для подключения внешней нагрузки. Порт (клеммы) позволяет(ют) подключить потребителя помимо электронной нагрузки и измерить напряжение сторонними приборами.
Проведение лабораторно-практических занятий на предложенном устройстве позволяет изучить:
- Структуру, конструкцию и принцип действия топливного элемента;
- термодинамику топливного элемента;
- характеристическую кривую и кривую изменения мощности топливного элемента;
- коэффициент полезного действия;
- необходимые компоненты для формирования источников электропитания на основе топливных элементов автономного энергоснабжения устройств;
- силовую электронику и преобразование напряжения.
Режимы и параметры, которые возможно установить на предлагаемом устройстве:
Температура отключения: максимальная температура, при которой топливный элемент отключится от питания водорода и прекратит выработку электричества.
Режим работы вентиляторов обдува топливного элемента: режим постоянного потока воздуха (изменяется температура) и режим постоянной температуры (изменяется поток воздуха).
Продувка: время продувки - на какое время открывается клапан продувки, период продувки - через какое время открывается клапан, напряжение БТЭ для продувки - при достижении какого напряжения БТЭ срабатывает продувка в независимости от времени (отсчет времени при этом начинается заново).
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.