УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА С БАТАРЕЕЙ ТОПЛИВНЫХ ПОМ-ЭЛЕМЕНТОВ
MANAGEMENT OF OPERATION OF PEM-FUEL-CELL-STACK BACKUP ELECTRIC GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрическому генератору на топливных элементах, специально предназначенному для обеспечения резервного питания при отсутствии питания в основной электрической сети, в котором множество топливных элементов уложены стопкой, образуя батарею для выработки электрической энергии, исходя из газообразного топлива и газообразного окислителя, подаваемых соответственно на топливный электрод (анод) и окислительный электрод (катод). В частности, изобретение относится к системе топливных элементов типа с протонообменной мембраной (ПОМ), в которой в качестве топлива используется водород и в которой осуществляется определенное управление увлажнением ПОМ-элементов.
Уровень техники
Как известно, поддержание надлежащего увлажнения является одним из наиболее тонких аспектов в отношении управления системой для выработки электрической и тепловой энергии на основе технологии топливных ПОМ-элементов.
Топливные элементы представляют собой одно из технологически наиболее перспективных решений по использованию водорода как источника энергии. Эти устройства, в которых используется электрохимическая реакция, способны преобразовывать химическую энергию в электрическую энергию.
В одиночном ПОМ-элементе одновременно происходят две полуреакции, одна на аноде и другая на катоде. Анод и катод ПОМ-элемента разделены электролитом, обычно представляющим собой мембрану из сульфированного полимера, способного проводить протоны, на противоположные стороны которой нанесен слой соответствующей каталитической смеси (например, смеси на основе Pt). Электролит обычно насыщен проводящей ионы текучей средой (например, водой) таким образом, чтобы ионы водорода могли проходить через него от анода к катоду.
В топливном элементе происходит следующая общая реакция:
2
2
2
2H+O→2HO (1)
которая сопровождается выделением тепловой и электрической энергии и представляет собой сумму двух полуреакций, которые происходят, соответственно, на аноде, а именно:
2
+
-
2H→4H+4e (2)
и на катоде, а именно:
2
2
+
-
O+4H+4e→2HO (3)
Таким образом, на анод подают водород, который диффундирует внутри каталитического слоя и в нем диссоциирует на ионы водорода и электроны, которые, при наличии непроницаемой для них мембраны, проходят по внешней электрической цепи вплоть до катода, генерируя электрический ток и соответствующую разность потенциалов. С другой стороны, на катод подают газообразную смесь, содержащую кислород, который реагирует с ионами водорода, прошедшими через электролит, и электронами, поступающими из внешней электрической цепи.
Необходимо увлажнять газообразные реагенты, потому что именно за счет молекул воды происходит перенос протонов через полимерную мембрану: чрезмерно низкая степень влажности приводит к более затруднительному переносу протонов из анодного отсека в катодный отсек, в результате чего снижается уровень эффективности топливного элемента, в то время как при чрезмерно высокой степени влажности вода конденсируется в жидком состоянии, в результате чего блокируются активные центры катализатора и снижается уровень эффективности топливного элемента. Таким образом, увлажнение газообразных реагентов представляет собой очень тонкий параметр в управлении системой топливных элементов.
Поскольку выработка четко определенного максимального напряжения связана с реакцией (1), чтобы добиться более высокого напряжения, множество топливных элементов обычно соединяют последовательно, образуя батарею.
Помимо батареи, электрический генератор на топливных элементах, специально предназначенный для обеспечения резервного питания в случае отсутствия питания из основной сети, включает гидравлический контур (насос, трубы, рассеиватели и т.д.), контур для подачи и отвода потоков газа (трубы для подачи водорода, трубы для подачи окислительной газовой смеси и т.д.), систему управления (блок управления, измерители для измерения температуры, расхода и давления, исполнительные механизмы и т.д.). Совокупность данных элементов обычно называют термином «вспомогательное оборудование» (от англ. «Balance of Plant», BoP). В многочисленных известных вариантах такой системы BoP включает устройство для увлажнения воздуха на впуске в батарею, возможно с регенерацией воды, образующейся во время процесса. Данное устройство состоит, в принципе, из ряда полимерных мембран, которые обеспечивают перенос за счет осмотического градиента молекул воды из выходящего газа, который проходит с одной стороны мембраны, во входящий газ, который проходит с другой стороны мембраны.
Кроме того, некоторые варианты предусматривают рециркуляцию и смешивание с «новым» газом, по меньшей мере, части потока, выходящего из батареи, благодаря использованию нагнетателя или насоса, что сопровождается, однако, уменьшением эффективности, увеличением шума системы и повышением риска отказа.
Наконец, воздух обычно используют в качестве катодного газа, и поэтому необходим нагнетатель или насос для снабжения батареи, компенсируя потери напора самого катодного контура.
Система, имеющая все описанные выше характеристики, известна, например, из документа № US-A-5543238. В указанной системе рециркуляцию осуществляют посредством компрессоров одновременно со стороны катодного газа и анодного газа на выпуске. Однако необходимо поддерживать систему для увлажнения, по меньшей мере, анодного газа, которая функционирует посредством внешнего источника влаги.
ПРЕДМЕТ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как можно понять из описанного выше, известные варианты резервных электрогенерирующих систем являются относительно дорогостоящими и трудоемкими и требуют поддержания точного и четкого порядка для предотвращения их ненадежности настолько, что, учитывая, что они представляют собой резервные системы и, следовательно, предназначены лишь для периодического вмешательства, движущиеся части (насосы, компрессоры и т.д.), например, требуют точной регулировки, чтобы не произошел отказ как раз в тот момент, когда они являются необходимыми.
Кроме того, известные системы всегда предусматривают использование системы увлажнения, которая функционирует за счет воды, подаваемой извне, или воды, частично регенерируемой посредством вышеупомянутых мембранных обменников. На самом деле, как указано выше, надлежащая работа топливного ПОМ-элемента в энергогенерирующих системах, которые могут эксплуатироваться пользователем, требует надлежащей степени увлажнения мембраны: низкое содержание воды в элементах приводит к обезвоживанию топливных элементов, в результате чего сокращается срок службы батареи, в то время как высокое содержание воды уменьшает приток реагентов и, следовательно, уменьшает производство электрической мощности, доступной пользователю (потребителю). Степень увлажнения мембраны оказывает преобладающее воздействие во время запуска и остановки, главным образом, если запуски разнесены по времени друг от друга, как происходит в энергогенерирующих системах, используемых по резервным назначениям.
Существующие решения сосредоточены, как правило, на поиске мембранно-электродных узлов (МЭУ), изготовленных из материалов, на которые не распространяются проблемы чрезмерного или недостаточного увлажнения. Однако указанные решения не предоставляют возможности непосредственного вмешательства в электрический генератор в случае проблем, с которыми сталкивается пользователь, например, временное закупоривание топливного элемента или низкое увлажнение.
Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить электрический генератор на топливных элементах, специально предназначенный для резервных применений, который преодолеет описанные выше недостатки, в частности, позволит сократить капитальные и эксплуатационные расходы и повысит эффективность и надежность электрического генератора, уменьшая в то же время его габаритные размеры, и который обеспечит возможность непосредственного вмешательства в электрический генератор в случае критической ситуации, обнаруженной надлежащим образом.
Согласно настоящему изобретению предложен резервный электрический генератор с батареей топливных ПОМ-элементов, который определен в пункте 1 формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее для лучшего понимания настоящего изобретения будет описан предпочтительный вариант его осуществления, исключительно в качестве неограничительного примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет блок-схему резервного электрического генератора с батареей топливных ПОМ-элементов, на которой показаны только части, необходимые для понимания настоящего изобретения; и
- фиг. 2 представляет график зависимости напряжения одиночного топливного элемента от плотности тока.
Обозначенный в целом номером 1 на фиг. 1 резервный электрический генератор с батареей топливных ПОМ-элементов, в принципе, включает в себя:
- батарею 2 топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов 3, электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку (не показана);
- прибор 4 контроля напряжения элемента (от англ. «cell-voltage monitor», CVM), присоединенный к батарее 2 топливных элементов для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом 3;
- блок 5 регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батарей 2 топливных элементов и электрической нагрузкой;
- нагнетатель (вентилятор) 6, предназначенный для подачи количества воздуха, необходимого для химической реакции, которая происходит в каждом топливном элементе 3;
- рециркулятор 7 водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи 2 топливных элементов;
- устройство 8 продувки водорода для вывода части водорода в окружающую среду или в катодный контур, которое включает в себя пару калиброванных клапанов 9, 10 для продувки водорода, первичной и вторичной, чтобы осуществлять, соответственно, первичную продувку водорода при меньшем расходе и вторичную продувку водорода при большем расходе; и
- электронный контроллер 11, который присоединен к прибору 4 контроля напряжения элемента, блоку 5 регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателю 6, рециркулятору 7 водорода и устройству 8 продувки водорода и предназначен для управления работой электрического генератора 1 согласно режимам, описанным далее, что обеспечивает работу батареи 2 топливных элементов в оптимальных условиях увлажнения мембраны, продлевая полезный срок ее службы и всегда подавая электрическую мощность, требуемую электрической нагрузкой.
Каждый топливный элемент 3, в принципе, включает в себя мембранно-электродный узел (МЭУ) и две биполярные пластины, которые собраны с использованием вспомогательных компонентов, таких как прокладки, насадки, пружины или стягивающие штыри для закрывания. Мембранно-электродный узел предназначен для расщепления атома водорода на протон и электрон и имеет рабочую температуру приблизительно 70°C и относительную влажность 70,5% при 70°C. Две биполярные пластины, которые работают оптимальным образом в присутствии одноосновных текучих сред, с другой стороны, выполняют функцию переноса реагентов (воздуха или кислорода, а также водорода) к мембранно-электродному узлу и служат в качестве коллекторов электрического тока.
Напряжение одиночного топливного элемента 3 является функцией электрической мощности, требуемой от самого топливного элемента 3, согласно графику, представленному на фиг. 2, где на оси ординат приведено среднее напряжение топливного элемента 3, измеренное при 60°C, в то время как на оси абсцисс приведена требуемая плотность электрического тока самого топливного элемента 3.
Благодаря последовательному электрическому соединению топливных элементов 3, напряжение, выдаваемое батареей 2 топливных элементов, представляет собой ничто иное, как сумму напряжений, выдаваемых индивидуальными топливными элементами, и показывает зависимость, аналогичную той, которая представлена на фиг. 2. Однородность распределения напряжения, выдаваемого индивидуальными топливными элементами, представляет собой ключевой параметр для эффективности и долговечности мембранно-электродных узлов.
Напряжение, выдаваемое каждым топливным элементом 3, измеряют посредством прибора 4 контроля напряжения элемента, который установлен на батарее 2 топливных элементов и снабжен специально сконструированными металлическими стержнями, соединенными с индивидуальными топливными элементами 3. Напряжение, выдаваемое каждым топливным элементом 3, измеряют с более высокой частотой, чем константы времени, типичные для явлений динамики текучих сред внутри топливного элемента 3, например каждые 20 мс.
График напряжения, создаваемого батареей 2 топливных элементов, означает, что электрическая энергия, производимая электрическим генератором 1, не является оптимальной для ее непосредственного использования электрической нагрузкой. Указанный недостаток преодолевают с помощью блока 5 регулирования и преобразования электрической энергии, который, помимо измерения электрического тока, выдаваемого батарей 2 топливных элементов, выполняет задачу заставить последнюю выдавать электрическую мощность, требуемую электрической нагрузкой, работая при этом в оптимальных условиях в течение всего срока службы батареи 2 топливных элементов в отношении напряжения и тока.
Для вышеуказанной цели в состав блока 5 регулирования и преобразования электрической энергии включены статические элементы для преобразования электрической энергии, такие как полупроводниковые приборы (диоды, MOSFET), индуктивные и емкостные реактивные сопротивления, соединенные согласно топологии вольтодобавочного и вольтовычитающего типа, т.е. способные преобразовывать электрическую энергию путем изменения ее напряжения и тока; а именно, одна из двух величин изменяется независимо, а другая изменяется в зависимости от потребности в электрической мощности. Указанную задачу можно также выполнить посредством управления мостиковым блоком (батареи или суперконденсаторы).
Что касается функции рециркулятора 7 водорода, то водород внутри батареи 2 топливных элементов можно идеально разделять на два компонента: водород, взятый из хранилища для последующего преобразования в электрическую энергию, и водород, рециркулированный для поддержания соответствующей относительной влажности внутри батареи 2 топливных элементов. В условиях полной электрической мощности эти два вклада берут в пропорции приблизительно 4:3, которая, как обнаружено экспериментально, представляет собой оптимальное соотношение. Часть рециркулированного водорода выводят из выпуска батареи 2 топливных элементов и вводят в ее впуск через рециркулятор 7 водорода, который выполняет дополнительную функцию повышения давления водорода, рециркулируемого из выпуска к впуску батареи 2 топливных элементов, как правило, от 20 до 50 мбар.
Контроллер 11 запрограммирован на: получение результатов измерений напряжения и тока, подаваемых соответственно прибором 4 контроля напряжения элемента и блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии; определение целевых эксплуатационных параметров для блока 5 регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателя 6 и рециркулятора 7 водорода на основании полученных результатов измерений и логики управления, описанной далее; и соответствующее управление блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателем 6, рециркулятором 7 водорода и устройством 8 продувки водорода таким образом, чтобы добиться заданных целевых эксплуатационных параметров.
В частности, контроллер 11 запрограммирован на осуществление различной логики управления работой электрического генератора 1, то есть в зависимости от режимов работы электрического генератора: один особый режим для запуска, один особый режим для нормальной работы, и один особый режим для останова; далее указанные режимы описаны более подробно.
1. ЗАПУСК
Запуск электрического генератора 1 представляет собой особенно важную стадию за счет так называемого «принятия нагрузки», во время которого батарея 2 топливных элементов должна выдавать электрическую мощность, требуемую электрической нагрузкой, без каких-либо проблем влажности и увлажнения топливного элемента 3. Для указанной цели контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы:
- открывать клапан 9 первичной продувки водорода и удерживать его открытым, таким образом осуществляя непрерывную первичную продувку водорода; и
- циклически открывать и закрывать клапан 10 вторичной продувки водорода, таким образом, осуществляя циклическую вторичную продувку водорода, согласно рабочему циклу, в котором, начиная с исходных величин времени закрытия и открытия клапана 10 вторичной продувки водорода, соответствующих, соответственно, 9 с и 4 с, причем время открытия увеличивается при каждом рабочем цикле на заданную величину, составляющую предпочтительно 20%, до тех пор, пока не будет подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента 3 ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение, предпочтительно 0,4 В;
напряжение топливного элемента 3 отклоняется по отношению к номинальному опорному значению, полученному экспериментально для каждого типа батареи в оптимальных условиях увлажнения, на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%; и
напряжение батареи 2 топливных элементов отклоняется по отношению к номинальному опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время, предпочтительно равное 60 с; и
от включения электрического генератора 1 прошло более длительное время, чем максимальное допустимое время, составляющее предпочтительно две минуты.
2.
НОРМАЛЬНАЯ РАБОТА
Нормальная работа электрического генератора 1 может представлять собой критическую стадию, потому что за счет моментального обезвоживания или «затопления» мембранно-электродных узлов батарея 2 топливных элементов может сама оказаться в неоптимальных условиях для подачи электрической мощности, в результате чего сокращается полезный срок службы самой батареи и, возможно, она неэффективно служит пользователю.
Соответственно, после окончания стадии запуска контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы управлять блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы, на основании электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, электрический ток, отводимый от батареи 2 топливных элементов, увеличивался с заданной скоростью увеличения, составляющей предпочтительно 10 А/с, а затем устанавливался на значение электрического тока, соответствующее электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, и, в любом случае, не выше, чем заданное максимальное значение, составляющее предпочтительно 180 A.
Кроме того, контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы:
- обнаруживать, что подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента 3 ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение, предпочтительно 0,4 В;
напряжение топливного элемента 3 отклоняется по отношению к номинальному опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%; и
напряжение батареи 2 топливных элементов отклоняется по отношению к номинальному опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время, составляющее предпочтительно 60 с; и
- когда подтверждено одно из вышеуказанных условий, управлять блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы электрический ток, отводимый от батареи 2 топливных элементов, уменьшался с заданной скоростью уменьшения, снова составляющей предпочтительно 10 А/с, до тех пор, пока не исчезнет обнаруженное условие. Электрическая энергия подается на электрическую нагрузку частично посредством управления мостиковым блоком.
Кроме того, контроллер 11 запрограммирован на управление рециркулятором 7 водорода, нагнетателем 6 и устройством 8 продувки водорода в зависимости от электрической мощности, выдаваемой блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии. В частности, когда подтверждено одно из вышеуказанных условий, контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы приводить в действие нагнетатель 6 таким образом, чтобы он подавал заданный расход воздуха выше и сверх того уровня, который нормально требуется, например, на 4% больше, и управлять клапанами 9, 10 первичной и вторичной продувки водорода, как описано в процедуре запуска.
3
ОСТАНОВ
.
Останов электрического генератора 1 может представлять собой критическую стадию, поскольку вода может оставаться в биполярных пластинах топливного элемента 3, что может блокировать доставку реагентов в соответствующий мембранно-электродный узел и, таким образом, препятствовать приведению топливного элемента 3 в состояние низкой влажности, необходимое для обеспечения возможности последующего запуска электрического генератора 1.
Для предотвращения этой проблемы контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы:
- ожидать охлаждения батареи 2 топливных элементов до температуры, традиционно установленной на 20°C, ускорять выделение накопленного тепла с помощью систем принудительного охлаждения;
- в конце охлаждения приводить в действие нагнетатель 6 для удаления воды, сконденсировавшейся во время охлаждения; и
- открывать клапан 9 первичной продувки водорода и удерживать его открытым, таким образом осуществляя непрерывную первичную продувку водорода.
Согласно исследованию характеристик резервного электрического генератора по настоящему изобретению с батареей топливных ПОМ-элементов, он обладает очевидными преимуществами перед известными электрическими генераторами того же типа. В частности, он не только обеспечивает повышенную эффективность и надежность по сравнению с известными электрическими генераторами того же типа, но и допускает непосредственное вмешательство оператора в случае критической ситуации, обнаруженной надлежащим образом.
Наконец, очевидно, что возможно внесение модификаций и изменений в описанный и проиллюстрированный резервный электрический генератор с батареей топливных ПОМ-элементов, без отклонения от объема охраны настоящего изобретения, определяемого в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, минимальное допустимое напряжение, максимальное допустимое отклонение, максимальное допустимое время, скорости увеличения и уменьшения отводимого электрического тока и максимальный ток, которые могут быть достигнуты, могут принимать значения, отличные от указанных ранее значений.