УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Полезная модель относится к области электротехники, к изготовлению топливных элементов (ТЭ) с твердой протонпроводящей мембраной, в частности, к устройствам для регулирования работы топливных элементов.
ТЭ представляет собой электрохимическое устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую.
В твердополимерном ТЭ электролитом служит протонпроводящая полимерная мембрана. Получение электроэнергии в таких устройствах происходит за счет проведения реакции окисления водорода кислородом воздуха, поэтому, чем выше концентрация кислорода в поступающем на катод ТЭ воздухе, тем более эффективна будет работа ТЭ.
В предшествующем уровне техники раскрываются многочисленные устройства, направленные на обогащение кислородом воздуха, поступающего к катоду ТЭ.
Известные устройства, как правило, включают следующие элементы: блок подготовки и подачи воздушного потока, средство для обогащения воздушного потока кислородом, при этом упомянутый воздушный поток разделяется на поток воздуха, обогащенный кислородом и поток воздуха, обогащенный азотом и систему подачи потока обогащенного кислородом воздуха к топливному элементу (см., например, JP2006066204).
Во всех известных технических решениях поток воздуха, обогащенный азотом, в эксплуатации топливного элемента не принимает участия и выводится в атмосферу.
В зависимости от устанавливаемых в таких устройствах средств обогащения кислородом, содержание азота в таких потоках воздуха может превышать 95%, и он может быть использован для регулирования работы топливного элемента.
К недостаткам известного устройства относится необходимость использования дополнительных устройств для регулирования работы топливного элемента и его охлаждения, а также сброс в атмосферу потока воздуха, обогащенного азотом, приводящее к потере энергии и понижению КПД системы.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы топливного элемента и использования газообразного топлива и окислителя за счет не только потока, обогащенного кислородом воздуха, позволяющего значительно повысить электрохимические характеристики топливного элемента, но и потока воздуха, обогащенного азотом. Последний может быть использован для создания пожаробезопасной среды во время запуска (разогрева) топливного элемента, охлаждения
системы во время работы. Кроме этого, воздух, обогащенный азотом, позволяет быстро и гибко регулировать работу топливного элемента (при необходимости быстро уменьшить мощность топливного элемента, поток подается в анодную камеру).
Поставленная задача решается устройством для регулирования работы топливного элемента, включающим: блок подготовки воздушного потока, средство для разделения упомянутого воздушного потока на воздушный поток, обогащенный кислородом, и воздушный поток, обогащенный азотом, и блоком подачи воздушного потока обогащенного кислородом к топливному элементу, в соответствии с которым, оно дополнительно содержит блок подачи воздушного потока, обогащенного азотом к топливному элементу, при этом оба блока подачи обогащенных воздушных потоков к топливному элементу выполнены с возможность переключения один на другой посредством регуляторов давления, установленных на входе и выходе средства для разделения воздушного потока.
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается тем, что блок подготовки воздушного потока включает фильтр, компрессор и осушитель воздуха.
Средство для разделения воздушного потока может содержать мембранный модуль, включающий полимерные мембраны с проницаемостью по кислороду от 20 до 500 л/м - часам, селективностью разделения пары кислород-азот не менее 3.
Блок подачи потока обогащенного кислородом воздуха к топливному элементу включает систему вентилей и регулятор давления.
Он также может дополнительно содержать вакуумный насос.
Блок подачи потока обогащенного азотом воздуха к топливному элементу включает систему вентилей и регулятор давления.
В частных воплощениях изобретения устройство может быть выполнено с возможностью сброса избыточного обогащенного воздуха в атмосферу.
Оно также может дополнительно включать контролирующее устройство, датчики кислорода, температуры и влажности.
Устройство также может дополнительно содержать, по меньшей мере, один ресивер.
На фиг.1 изображена общая схема устройства
На фиг.2 изображена детализированная схема предложенного устройства
Позиции на схемах означают следующее.
1. Блок подготовки воздушного потока
2. Средство для разделения воздушного потока
3. Блок подачи обогащенного кислородом воздуха к топливному элементу
4. Блок подачи обогащенного азотом воздуха к топливному элементу
5. Топливный элемент
6. Регулятор давления для переключения блоков подачи обогащенного кислород и азотом воздуха.
7. Фильтр
8. Компрессор
9. Осушитель воздуха
10. Вакуумный насос
11. Система вентилей блока подачи воздуха, обогащенного кислородом
12. Регулятор давления блока подачи воздуха, обогащенного кислородом
13. Система вентилей блока подачи воздуха, обогащенного азотом
14. Регулятор давления блока подачи воздуха, обогащенного азотом
15. Ресивер
16. Датчик кислорода
17. Датчик температуры и влажности
18. Вентиль для сброса избыточного обогащенного воздуха в атмосферу.
19. Контролирующее устройство
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Устройство для регулирования работы топливного элемента включает блок подготовки воздушного потока (1), с которого подготовленный надлежащим образом воздушный поток поступает в средство для разделения упомянутого воздушного потока (2). Данное средство (2) представляет собой мембранный модуль, в котором осуществляется разделение воздуха на два потока - воздух, обогащенный кислородом и воздух, обогащенный азотом.
Мембранный модуль включает полимерные мембраны с проницаемостью по кислороду от 20 до 500 л/м часам. и селективностью разделения пары кислород - азот не менее 3. В качестве модуля, удовлетворяющего этим требованиям, может быть использовано, например, устройство для селективного разделения смеси газов в соответствии с патентом RU 2040319 от 1992.02.17.
Далее воздушные потоки по трубопроводам (не показаны) через блок подачи обогащенного кислородом воздуха (3) и блок подачи обогащенного азотом воздуха (4) поступают к топливному элементу (5). Переключение потоков через блоки (3) и (4) осуществляется с помощью регуляторов давления (6).
Блок подготовки воздушного потока (1) содержит фильтр (7), предназначенный для удаления из воздуха пыли и других примесей, компрессор (8), обеспечивающий
разделение потока воздуха за счет поддержания постоянного перепада давления по обе стороны мембранного модуля (средства для разделения воздушного потока) (2), осушитель воздуха (9), например, холодильник, удаляющий из воздуха воду.
Блок подачи обогащенного кислородом воздуха (3) к топливному элементу (5) содержит систему вентилей (11), регулятор давления (12) и может дополнительно содержать вакуумный насос.
Блок подачи обогащенного азотом воздуха (4) к топливному элементу (5) содержит систему вентилей (13) и регулятор давления (14).
Устройство может быть дополнительно снабжено, по меньшей мере, одним ресивером (15), служащим накопителем поступающего воздушного потока и/или потоков обогащенного воздуха; датчиком кислорода (16), служащим для контроля состава получаемых разделенных потоков воздуха; и датчиком температуры и влажности (17).
Кроме того, для сброса избыточного обогащенного воздуха в атмосферу, устройство может быть снабжено вентилями (18).
Бесперебойная работа всех узлов обеспечивается контролирующим устройством (19).
Устройство работает следующим образом.
Воздух через фильтр (7) и компрессор (8) попадает в осушитель (9). Сжатый воздух с известной температурой и влажностью накапливается в ресивере (15), оттуда через регулятор давления (6), установленный на входе в мембранный модуль, поступает в мембранный модуль (2). Модуль (2) делит воздух на два потока: прошедший сквозь мембрану обогащен кислородом, не прошедший - азотом. Нужный состав потоков (до 55% кислорода в потоке, прошедшем сквозь мембрану и более 90% азота - для второго потока) может быть достигнут только по отдельности, т.е. схема работает либо на получение обогащенного кислородом воздуха, либо на получение азота. Нецелевой продукт при этом сбрасывается в атмосферу через вентили (18). Смена режима работы осуществляется с помощью регуляторов давления (6), установленных на входе и выходе в мембранный модуль (2). Потоки воздуха, как обогащенный кислородом, так и азотом, могут накапливаться в ресиверах (15), установленных, соответственно, в блоке подачи обогащенного кислородом воздуха (3) и в блоке подачи обогащенного азотом воздуха (4), и могут быть использованы позднее, или упомянутые потоки могут через вентили (11) и (13) и регуляторы давления (12) и (14) подаваться непосредственно на топливный элемент (5).
Поток обогащенного азотом воздуха позволяет регулировать работу топливного элемента: он создает инертную атмосферу при запуске топливного элемента и
обеспечивает сдув водорода при необходимости остановки или уменьшения мощности топливного элемента.