СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL

Настоящее изобретение относится к системе охлаждения топливного элемента, генерирующего электроэнергию, оно касается также способа работы такой системы охлаждения, а также генераторного агрегата и автотранспортного средства, оборудованных этой системой охлаждения.
В настоящее время топливные элементы разработаны, в частности, для оборудования транспортных средств вместо двигателей внутреннего сгорания, и за счет производства электроэнергии, используемой электрической силовой установкой, они позволяют добиться лучшей энергетической отдачи по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
Как правило, топливные элементы содержат набор элементарных ячеек, содержащих два электрода, разделенных электролитом, и две проводящие пластины, которые доставляют топливо и окислитель на электроды через внутренние каналы. Электрохимические реакции, происходящие при контакте с электродами, генерируют электрический ток и производят воду, выделяя при этом тепловую энергию, нагревающую различные компоненты.
Для обеспечения правильной работы топливные элементы должны находиться при определенной температуре, составляющей в зависимости от типа от 60 до 800°С. Тепло, выделяемое в начале реакций, когда топливный элемент является холодным, служит сначала для нагрева ячеек, чтобы довести их до необходимой рабочей температуры.
Для регулирования температуры топливные элементы содержат систему охлаждения, включающую в себя контур текучей среды-теплоносителя, приводимой в движение насосом, которая входит в контакт с этими ячейками и, нагреваясь, отбирает калории. Затем текучая среда проходит через теплообменник, охлаждаясь, в частности, за счет обмена с окружающим воздухом.
Проблемой, которая возникает в случае запуска топливного элемента, находящегося при температуре ниже 0°С, является то, что вода, получаемая при электрохимической реакции, может замерзнуть, пока температура находится ниже этого порога 0°С. В этом случае топливный элемент не может работать нормально и может разрушиться.
Для решения этой проблемы известная система охлаждения, описанная, в частности, в документе ЕР-А1-0074701, содержит контур охлаждения, включающий в себя первую циркуляционную петлю с теплообменником и насосом, работающим всегда в одном направлении, и вторую циркуляционную петлю, которая проходит через ячейки.
Обе циркуляционные петли пересекаются в одной точке на уровне четырехканального вентиля, который можно устанавливать в двух положениях. Два из четырех каналов всегда служат: один для входа другой для выхода для первой циркуляционной петли, а два других канала позволяют располагать эту вторую петлю последовательно с первой петлей для обеспечения циркуляции в одном направлении при одном положении вентиля и в другом направлении при другом положении.
При насосе, работающем в первой петле постоянно в одном направлении, автоматический перевод четырехканального вентиля из одного положения в другое позволяет чередовать направление прохождения текучей среды-теплоносителя во второй петле и, следовательно, в ячейках.
Таким образом, за счет частого переключения направления циркуляции текучей среды в ячейках в холодном состоянии реализуют циркуляцию одинакового сокращенного объема текучей среды, проходящего через ячейки сначала в одном направлении, затем в другом. В зависимости от расхода текучей среды и от частоты чередования один и тот же объем выходит с одной стороны ячеек и затем возвращается в них после смены направления циркуляции.
Использование небольшого объема текучей среды при чередовании направления движения обеспечивает хорошую гомогенизацию температуры в любых точках ячеек и между ячейками, находящимися в центре набора, и ячейками на концах, при помощи текучей среды, которая участвует в теплообмене и распределяет калории, а также концентрацию тепла, которое остается в ячейках и в частях трубопроводов, близких к этим ячейкам, поскольку текучая среда не циркулирует за пределами этих близких частей.
Таким образом, можно быстрее осуществлять запуск повышение температуры топливного элемента, прежде чем произойдет выход калорий наружу при непрерывном режиме работы с одним направлением прохождения, при котором текучая среда проходит через ячейки и заходит в теплообменник для своего охлаждения.
Проблемой этого контура охлаждения является то, что он требует применения четырехканального вентиля, который является относительно сложным и дорогим в изготовлении. Кроме того, обе петли, встречающиеся в одной точке, образуют специфический контур, который не всегда можно просто реализовать на основе обычного контура, содержащего только одну главную петлю.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известного технического решения и разработка простого и эффективного контура охлаждения, обеспечивающего быстрый запуск топливного элемента при низких температурах, то есть ниже 0°С.
Для решения задачи предложена система охлаждения для топливного элемента, содержащая главный контур текучей среды-теплоносителя, содержащий циркуляционный насос и теплообменник для обмена с внешним пространством, которые питают входной трубопровод, направляющий эту текучую среду к ячейкам топливного элемента, при этом текучая среда выходит из ячеек через выходной трубопровод и возвращается в циркуляционный насос, отличающаяся тем, что главный контур содержит на каждом входном и выходном трубопроводе управляемый трехканальный вентиль, при этом третий свободный канал входного трубопровода соединен с входом насоса, и третий свободный канал выходного трубопровода соединен с выходом насоса, образуя вспомогательный контур текучей среды.
Преимуществом этой системы охлаждения является то, что используя два простых и экономичных трехканальных вентиля, которые можно легко установить в петле обычного контура, и, переключая их одновременно, можно при одном и том же циркуляционном направлении насоса чередовать направление циркуляции текучей среды в ячейках.
Система охлаждения в соответствии с изобретением может дополнительно иметь один или несколько отличительных признаков, которые можно комбинировать между собой.
Предпочтительно входной трубопровод и выходной трубопровод содержат, каждый, температурный датчик, установленный вблизи соединения с ячейками.
Предпочтительно трехканальные вентили являются вентилями, одновременно управляемыми по принципу «все или ничего».
Объектом изобретения является также способ работы системы охлаждения, имеющей любой из предыдущих отличительных признаков, управляющий в зависимости от рабочих параметров топливного элемента частотой чередований одновременного переключения двух трехканальных вентилей для образования вспомогательного контура или восстановления главного контура.
Предпочтительно максимальная частота чередований по существу равна двукратному расходу, выдаваемому насосом, поделенному на объем текучей среды, используемый между двумя температурными датчиками, расположенными вблизи соединения трубопроводов с ячейками.
Согласно варианту способа работы частоту чередования определяют в зависимости от изменения температуры ячеек.
Согласно другому варианту способы работы частоту чередования определяют при данной силе тока, выдаваемого ячейками, в зависимости от изменения напряжения на контактах этих ячеек.
Объектом изобретения является также генераторный агрегат, оснащенный топливным элементом, содержащим систему охлаждения, имеющую любой из предыдущих отличительных признаков.
Кроме того, объектом изобретения является электрическое транспортное средство, содержащее топливный элемент, выдающий электрический ток, используемый для движения и имеющий предыдущий отличительный признак.
Изобретение, его другие отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает схему системы охлаждения для топливного элемента в соответствии с изобретением.
Фиг. 2 - график изменений электрического напряжения V на контактах ячеек этого топливного элемента на оси ординат в зависимости от времени t, показанного на оси абсцисс, во время регулирования посредством чередования циркуляции текучей среды.
Фиг. 3 - график сравнения запуска топливного элемента при низкой температуре с применением и без применения изобретения.
На фиг. 1 показан топливный элемент 2, содержащий ряд ячеек 4, через которые проходит текучая среда-теплоноситель системы охлаждения, управляемой не показанным вычислительным устройством, которое контролирует систему охлаждения и которое может быть вычислительным устройством управления топливным элементом.
Система охлаждения содержит насос 6, имеющий одно направление вращения, который создает поток текучей среды, проходящей через теплообменник 8, для охлаждения этой текучей среды за счет обмена калорий с другой текучей средой, например с окружающим воздухом.
В режиме постоянной работы системы охлаждения текучая среда-теплоноситель, приводимая в движение насосом 6, проходит через главный контур, начало которого показано стрелкой А, и через входной трехканальный вентиль 10, заходя через входной канал 10а и выходя через выходной канал 10b, который направляет эту текучую среду во входной трубопровод 12 ячеек 4 топливного элемента.
Затем текучая среда-теплоноситель выходит из ячеек 4 через выходной трубопровод 14 и проходит через выходной трехканальный вентиль 16, заходя через входной канал 16а и выходя через выходной канал 16b, который направляет эту текучую среду к концу главного контура, показанному стрелкой В, для ее возвращения в насос 6.
Каждый трубопровод 12, 14, соединенный с ячейками 4, содержит датчик 18, 20 температуры текучей среды-теплоносителя, который расположен как можно ближе к этим ячейкам.
Предпочтительно датчик, установленный во входном трубопроводе 12, отстоит от входа элемента на расстояние, меньшее 1/10 длины элемента. Точно так же датчик, установленный в выходном трубопроводе 14, отстоит от выхода элемента на расстояние, меньшее 1/10 общей длины элемента.
Таким образом, получают главный контур, имеющий одно направление циркуляции, который в нормальном режиме работы позволяет отбирать калории в ячейках 4 и удалять их в теплообменник 8.
В случае запуска топливного элемента при температурах ниже 0°С и для ускорения повышения температуры ячеек, чтобы избежать замерзания воды, получаемой в результате электрохимической реакции, вычислительное устройство контроля контура охлаждения поддерживает вращение насоса 6 для обеспечения его постоянной работы и управляет одновременно двумя трехканальными вентилями 10, 16 последовательными короткими периодами для их поочередной установки в положение, реализующее главный контур, как было указано выше, затем в положение, реализующее вспомогательный контур.
Для установления вспомогательного контура циркуляции текучей среды-теплоносителя каждый из двух трехканальных вентилей 10, 16 переключают во второе положение, в котором используют третий канал.
Следует отметить, что трехканальные вентили 10, 16 являются вентилями, одновременно управляемыми по принципу «все или ничего» и требующими простого и экономичного управления.
Текучая среда-теплоноситель, выходящая из теплообменника 8, проходит через первый переходник 22, следуя в начало вспомогательного контура, указанное стрелкой С, и питая третий канал 16с выходного вентиля 16, затем выходит через входной канал 16а, возвращаясь в ячейки 4 через выходной трубопровод 14.
После этого текучая среда-теплоноситель, выходящая из ячеек 4 через входной трубопровод 12, питает выходной канал 10b входного вентиля 10, затем выходит через третий канал 10с и попадает в конец вспомогательного контура, показанный стрелкой D, во второй переходник 24, соединенный с входом насоса 6.
Таким образом, при минимальных изменениях обычного главного контура, добавив два простых и экономичных трехканальных вентиля 10, 16 и сохранив то же самое направление вращения насоса 6, получают вспомогательный контур, обеспечивающий циркуляцию текучей среды-теплоносителя в ячейках в обратном направлении.
В режиме чередующейся работы с изменениями на обратное направления циркуляции текучей среды-теплоносителя в ячейках 4 за счет одновременного переключения двух трехканальных вентилей 10, 16 моментальный расход является таким же, как и в режиме постоянной работы, и его вычисляют таким образом, чтобы обеспечивать охлаждение ячеек 4, работающих на своей максимальной мощности. Этот расход учитывает, кроме того, вязкость текучей среды-теплоносителя и ее плотность, чтобы в ячейках могло происходить смешивание между горячей текучей средой и холодной текучей средой для обеспечения хорошего теплообмена и однородности температур.
Изобретение состоит в обеспечении поочередной циркуляции текучей среды-теплоносителя в топливном элементе в двух возможных направлениях, сохраняя при этом однонаправленную циркуляцию текучей среды в насосе, чтобы во время холодного запуска использовать тепло, производимое самим топливным элементом.
Для этого направление циркуляции текучей среды внутри элемента чередуют, поочередно включая в работу главный контур и вспомогательный контур с переменной частотой, адаптируемой к изменению температуры жидкости-теплоносителя или любого другого рабочего параметра, характеризующего эту температуру.
Частоту меняют в соответствии со следующими двумя начальными фазами:
- в начале запуска топливного элемента ее повышают таким образом, чтобы тепловая энергия, рассеиваемая при электрохимической реакции, как можно быстрее нагревала минимум объема текучей среды-теплоносителя, причем эта повышенная частота чередования позволяет сохранять внутри элемента практически одну и туже текучую среду, которая сразу по достижении конца элемента направляется в обратном направлении к противоположному концу;
- после этой первой фазы нагрева этого небольшого количества текучей среды частоту чередования постепенно понижают, чтобы избежать перегрева элемента и чтобы тепло, накопленное небольшим количеством текучей среды, распространилось на остальную часть контура.
В частности, во время первой фазы с повышенной частотой чередования при холодном запуске топливного элемента получают достаточно малый объем текучей среды, проходящий через ячейки 4, который используют в теплообменах. Этот малый объем текучей среды перемещается и выходит из ячеек, оставаясь с двух сторон близко от этих ячеек во входном и выходном трубопроводах 12, 14, чтобы свести к минимуму нагреваемую массу текучей среды, а также теплообмены с внешним пространством.
Кроме того, этот используемый объем текучей среды должен позволять текучей среде, находящейся в центральных ячейках 4, которые нагреваются больше всего, достичь в конце движения температурных датчиков 18, 20, чтобы они могли отслеживать изменение температуры этих центральных ячеек. В этом случае устанавливают максимальную частоту чередования F (в Герцах), равную двукратному расходу D (в литрах в секунду) насоса, поделенному на объем V текучей среды (в литрах), используемый между двумя температурными датчиками 18, 20.
Изобретение обеспечивает также равномерный нагрев ячеек 4 при температуре выше 0°С до того, как количество воды, выдаваемое ячейками, насытит электролит, чтобы избежать замерзания этой воды, не абсорбированной этим электролитом.
Первый метод контроля частоты чередований направления циркуляции текучей среды-теплоносителя во время повышения температуры ячеек 4 основан на отслеживании температур, указываемых датчиками 18, 20.
Слишком сильное повышение этой температуры ограничивают за счет понижения частоты чередования во время второй начальной фазы, в которой применяют все более увеличивающийся объем текучей среды, отбирая холодную текучую среду из остальной части контура. Иначе говоря, повышение температурного градиента контролируют за счет повышения частоты чередования.
В конце при номинальной рабочей температуре ячеек 4, составляющей, например, от 20 до 80°С для топливного элемента с твердым полимерным электролитом и, в частности, от 60 до 80°С при применении на транспортном средстве, приходят к нулевой частоте чередования, что является режимом постоянной работы с использованием главного контура. При этом режиме получают постоянное прохождение текучей среды-теплоносителя в ячейках 4, затем в теплообменнике 8, что обеспечивает максимальный теплообмен.
На фиг. 2 представлен второй метод регулирования температуры ячеек 4 на ячейках, выдающих ток данной силы, основанный на отслеживании уровня напряжения V в вольтах этих ячеек в зависимости от времени t в секундах, предпочтительно измеряемого на центральных ячейках, которые нагреваются быстрее всех.
После понижения напряжения V, как показано стрелками 30, что выражает перегрев ячеек 4, связанный с первой начальной фазой, во время второй начальной фазы понижают частоту чередования, которая доходит примерно до 17 Гц, чтобы увеличить используемый объем текучей среды и понизить температуру этой текучей среды.
После этих двух начальных фаз и после повышения напряжения V, как показано стрелками 32, что выражает охлаждение ячеек 4, повышают частоту чередования, которая доходит примерно до 28 Гц, чтобы уменьшить используемый объем текучей среды и повысить температуру этой текучей среды.
Перед запуском при температуре ниже 0°С топливный элемент необходимо предварительно высушить, чтобы электролит мог абсорбировать воду, получаемую при запуске, и чтобы температура ячеек стала выше 0°С до насыщения водой электролита. Точно так же во время запуска при температуре ниже 0°С в элемент необходимо подать сухие реактивные газы. Состояние предварительного осушения топливного элемента предполагает значение внутреннего сопротивления выше номинального значения, что требует адаптации значения плотности тока во время запуска. Ее можно применять в виде постепенного повышения силы тока, чтобы ограничить затруднения в самые первые моменты запуска и чтобы иметь затем максимальную тепловую и электрическую мощность.
На фиг. 3 в зависимости от времени t в секундах показана кривая 40 выдаваемой электрической мощности W в ваттах для топливного элемента, содержащего систему охлаждения без режима чередующейся работы и запускаемого при температуре -8°С. Сначала имеющаяся мощность W увеличивается, затем резко уменьшается в момент t1 и становится нулевой в момент t2 по причине насыщения электролита водой, которая начинает замерзать.
Кривая 42 выдаваемой электрической мощности W для описанного выше топливного элемента, содержащего систему охлаждения с режимом чередующейся работы и с регулированием частоты чередования, который запускают при температуре -25°С, содержит равномерное увеличение мощности, затем в момент t3 стабилизацию этой мощности в значении W1, которое можно сохранять в течение нескольких минут.
Таким образом, отмечается, что во время запуска при гораздо более низких температурах изобретение позволяет получать значительно более высокую мощность, которую к тому же можно сохранять.
Топливный элемент, содержащий систему охлаждения в соответствии с изобретением, можно применять в автотранспортном средстве, а также в любых стационарных установках, таких как генераторный агрегат, в которых необходимо обеспечивать быстрое повышение температуры.