ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ РАБОТЫ В ТОННЕЛЯХ
CONTROL SYSTEM OF FUEL CELL POWER PLANT

Изобретение относится к системам управления и контроля работы энергетических установок с автономным источником энергии, а именно вагонов с энергетической установкой на топливных элементах для питания электрооборудования и тяговых двигателей подвижного состава железнодорожного транспорта, и может быть использовано для питания путевой техники при проведении ремонтных работ в тоннелях.
Известен турбопоезд, описанный в заявке RU 2007102735 А, 27.07.2008 - аналог.
Турбопоезд выполнен с автономным питанием в виде гибридной энергоустановки по схеме топливные элементы+газовая турбина и содержит элементы секции автономного питания, расположенные в контейнере, включая электрохимический генератор, газотурбинную секцию, инвертор тока и вспомогательные системы.
В известном устройстве отсутствует система контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах, и оно обладает следующими недостатками. Кроме того, в устройстве используется высокотемпературный электрохимический генератор, имеющий слишком большие габариты и работающий при температуре выше 650°С. Высокая коррозионная активность электролита сокращает ресурс работы электродов и конструкционных материалов. Высокие температуры требуют решения ряда конструкционных проблем, как, например, совместимость используемых материалов при температурном расширении. Элементы конструкции высокотемпературных топливных элементов имеют относительно толстые стенки трубок из электролита, необходимые для придания им механической прочности, и, как следствие, обладают высоким сопротивлением, что увеличивает внутренние энергопотери и создает проблемы коммутации единичных элементов. В процессе работы характеристики высокотемпературных топливных элементов постепенно ухудшаются, что обусловлено дезактивацией и износом катализаторов, коррозией основ электродов, изменением структуры электродов и другими причинами. Ухудшение характеристик топливных элементов ограничивает срок их службы. На настоящее время мощность единичных модулей высокотемпературных топливных элементов и энергоустановок на их основе одна из наименьших.
Технический результат, который может быть получен от использования заявленного изобретения, заключается в повышении КПД, повышении способности к перегрузкам, уменьшении расхода топлива на «холостом» ходу, сокращении количества ремонтов и увеличении межремонтных периодов за счет отсутствия изнашиваемых движущихся деталей, бесшумности рабочего процесса и повышении экологической чистоты за счет отсутствия вредных выхлопов.
Указанный технический результат достигается тем, что система контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах включает в себя компьютер, предназначенный для контроля и управления электрохимическим генератором (ЭХГ) и вспомогательными устройствами, датчики внутреннего контроля параметров ЭХГ и датчики контроля вспомогательных устройств, причем компьютер соединен через USB-порт с коммутатором сигналов и команд ЭХГ, имеющим каналы для ввода информации с датчиков внутреннего контроля параметров ЭХГ и каналы для управления ЭХГ, и коммутатором сигналов и команд вспомогательного оборудования, имеющим каналы для ввода информации с датчиков контроля вспомогательных устройств и каналы для управления вспомогательными устройствами, которые подключены к блоку IGBT транзисторов аппаратного отсека.
Заявляемая система контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах приведена на фиг.1-4, где на фиг.1 приведен общий вид вагона с энергетической установкой на топливных элементах, которая управляется заявляемой системой, на фиг.2 приведена электрическая схема системы контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах, на фиг.3 приведена пневмогидравлическая схема вагона с энергетической установкой на топливных элементах, а на фиг.4 приведена силовая часть электрической схемы системы контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах.
Заявляемая система контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах включает в себя компьютер 1, в памяти которого установлена программа, предназначенная для контроля и управления ЭХГ 2 и вспомогательным оборудованием, коммутатор сигналов и команд 3 ЭХГ, коммутатор сигналов и команд вспомогательного оборудования 4; пульт управления 5 с тумблерами; блок IGBT транзисторов 6, предназначенный для коммутаций силовых цепей, включения источников питания с гальванической развязкой, включения клапана отсечки водорода высокого давления, клапана отсечки кислорода высокого давления и двух клапанов отсечки азота высокого давления; датчики внутреннего контроля 7 параметров ЭХГ 2 и датчики контроля вспомогательных устройств 8, включающие в себя датчик давления водорода на выходе из редуктора 9; датчик давления кислорода на выходе из редуктора 10; два датчика давления азота перед редукторами 11; датчики температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе внешнего контура охлаждения ЭХГ 2; датчик напряжения нагрузки; датчик тока ЭЧГ; два датчика напряжения аккумуляторной батареи; два датчика тока заряда-разряда аккумуляторной батареи; четыре датчика напряжения на выходе батарей ЭХГ 2; десять датчиков температуры воздуха в отсеках энергетического вагона; четыре датчика концентрации водорода; три датчика концентрации кислорода (не показаны).
Заявляемая система может быть использована для управления и контроля, например, энергетической установкой на топливных элементах, содержащей четыре последовательно включенных ЭХГ 2, контур терморегулирования ЭХГ 12, блок дожигания водорода 13, блок сброса дренажного кислорода 14, емкость для сбора реакционной воды 15, баллоны для хранения сжатого водорода 16, баллоны для хранения сжатого кислорода 17, два баллона для хранения сжатого азота 18, аппаратный отсек 19, в котором установлена электронная система управления, две аккумуляторные батареи 20, редуктор водородный 9, редуктор кислородный 10, два редуктора азотных 11, корпус 21, состоящий из элементов общей сборки.
Устройство работает следующим образом. Запуск силовой установки производится замыканием тумблера «Пуск» на пульте управления. Дальнейшие действия система контроля и управления энергетической установкой на топливных элементах производит автоматически. Компьютер через USB-порт обменивается сигналами с коммутатором сигналов и команд ЭХГ и коммутатором сигналов и команд вспомогательного оборудования. Коммутатор сигналов и команд ЭХГ осуществляет управление ЭХГ, а также получает, обрабатывает и передает информацию с датчиков внутреннего контроля параметров ЭХГ в компьютер. Коммутатор сигналов и команд вспомогательного оборудования при помощи блока IGBT транзисторов осуществляет управление вспомогательными устройствами, а также получает, обрабатывает и передает информацию с датчиков контроля вспомогательных устройств в компьютер. В случае отклонения от заданного режима программа прекращает запуск и переходит к процедуре аварийной остановки с выдачей сигнала "Авария".
Согласно предварительным стендовым испытаниям и расчетам средний эксплуатационный КПД энергоустановок с электрохимическим генератором на топливных элементах с заявляемой системой составляет около 60%. Остаточным продуктом реакции, проходящей в электрохимическом генераторе, является дистиллированная вода, что делает эти установки экологически безопасными.
Таким образом, в заявленном изобретении обеспечивается достижение заявленного технического результата.