СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
FUEL ELEMENT SYSTEM

Изобретение относится к системам топливных элементов, использующим в качестве топливного газа водород.
Известна система топливного элемента по патенту РФ №2364991, H01M 8/04, 2009, содержащая средство хранения, в котором хранится жидкий водород, топливный элемент, который использует газообразный водород в качестве топливного газа, средство подачи топлива, которое подает газообразный водород к аноду топливного элемента, систему циркуляции водорода и средство подачи газа выкипания, которое подает газ выкипания, образовавшийся в средстве хранения, в систему циркуляции водорода. При этом средство, осуществляющее циркуляцию водорода, является водородным насосом, а контроллер количества циркулирующего водорода регулирует частоту вращения насоса, когда средство определения устанавливает, что газ выкипания подается в систему циркуляции водорода.
Основной недостаток известной схемы заключается в дополнительных затратах энергии, потребляемой циркуляционным водородным насосом, что в особенности сказывается на малых нагрузках топливного элемента.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является изобретение по патенту США №7550219, 2009. Данная система включает в себя топливный элемент, систему хранения водорода и его подачи к топливному элементу, а также систему циркуляции водорода, в состав которой входят как минимум три струйных аппарата (эжекторных насоса) с разными расходными характеристиками, объединенных в единый корпус (блок), обеспечивающий работу только одного из струйных аппаратов или отключение всех трех аппаратов. При этом в систему циркуляции может быть включен параллельно первому блоку еще как минимум один корпус (блок), объединяющий как минимум три струйных аппарата с характеристиками, отличными от аппаратов, располагаемых в первом корпусе.
К недостаткам прототипа можно отнести технологичную сложность конструкции, а также снижение ее надежности и ресурса службы, вызванные изменением со временем характеристик уплотнительных элементов, обеспечивающих герметизацию одного струйного аппарата от другого, особенно с учетом повышенной текучести водорода. Кроме того, конструктивное оформление блока струйных аппаратов, заявляемое в прототипе, подразумевает, что все они имеют одну длину, что приводит к снижению КПД аппаратов, имеющих большие сечения.
Заявляемое изобретение решает задачу повышения технологичности и надежности системы циркуляции газообразного реагента (водорода или кислорода), уменьшения ее габаритов, а также позволяет обеспечить регулировку количества подаваемого реагента в зависимости от текущей нагрузки на топливный элемент и текущего значения давления в системе циркуляции реагента.
Одна из проблем, встающих перед разработчиком системы подачи реагента в топливный элемент, заключается в обеспечении регулировки количества подаваемого реагента в зависимости от текущей нагрузки на топливный элемент.
При этом рециркуляция неизбежно сопровождается дополнительными потерями энергии. Поэтому оптимизация системы рециркуляции (контура циркуляции) приобретает важное значение с точки зрения КПД электрохимического генератора.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение регулирования расходных характеристик системы циркуляции реагента в зависимости от требуемого для работы топливного элемента количества реагента.
Технический результат достигается тем, что система топливного элемента содержит топливный элемент, использующий газообразный реагент, систему хранения реагента и систему его подачи в топливный элемент, в состав которой входит система циркуляции реагента, включающая блок струйных аппаратов, регуляторы сечения, запорные клапана, причем блок струйных аппаратов содержит по крайней мере два струйных аппарата с разными проходными сечениями и расходными характеристиками, которые соединены в нем параллельно таким образом, что имеют общий напорный коллектор, общую приемную камеру и общий выходной коллектор, при этом перед напорным коллектором установлены электромагнитный запорный клапан, резервный электромагнитный запорный клапан и регулятор сечения, соединенные кабелями с электрическим контроллером. Также при необходимости перед соплами струйных аппаратов могут быть установлены регуляторы сечения, соединенные кабелями с электрическим контроллером.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:
- на фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемой системы топливного элемента с блоком из трех струйных аппаратов;
- на фиг.2 показан продольный разрез блока струйных аппаратов.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого изобретения. Топливный элемент 1 соединен с системой хранения реагента 2 посредством системы подачи реагента 3 и входящего в ее состав контура циркуляции 4. На входе в контур циркуляции установлены по крайней мере один запорный электромагнитный клапан 5, по крайней мере один резервный запорный клапан 6, а также регулятор сечения 7, соединенные кабелями с электрическим контроллером 8. В состав контура циркуляции входит блок 9 струйных аппаратов, включающий соединенные параллельно как минимум три струйных аппарата 10. При этом струйные аппараты 10 имеют общий напорный коллектор 11, общую приемную камеру 12 и общий выходной коллектор 13. За напорным коллектором 11 установлены регуляторы сечения 14, соединенные кабелями с электрическим контроллером 8.
На фиг.2 изображен продольный разрез блока 9 струйных аппаратов по осям симметрии двух из них. К напорному коллектору 11 присоединены трубопроводы, в которых установлены регуляторы сечения 14, при этом к трубопроводам подсоединены сопла 15 струйных аппаратов 10, выходящие в приемную камеру 12. Между приемной камерой 12 и выходным коллектором 13 расположены и герметизированы путем сжатия тела 16 струйных аппаратов 10. При этом каждый струйный аппарат 10 имеет свои расходные характеристики, определяемые геометрическими характеристиками конфузора 17, цилиндрической части 18 и диффузора 19.
Система топливного элемента работает следующим образом.
Топливный элемент 1 использует для работы реагент, находящийся в системе хранения 2. Реагент из системы хранения 2 поступает в систему подачи 3, из нее - в контур циркуляции 4, а далее - в топливный элемент 1. При этом на входе в контур циркуляции 4 установлен запорный электромагнитный клапан 5, в случае отказа которого в работу вводится резервный запорный клапан 6. Получив реагент для работы, топливный элемент 1 создает на выходе ЭДС холостого хода. В дальнейшем, при увеличении нагрузки на топливный элемент 1, количество потребляемого реагента возрастает. При этом необходимо обеспечить постоянство давления реагента в контуре циркуляции 4 на входе в топливный элемент 1, учитывая неравномерность нагрузки на него.
Эту задачу решает, с одной стороны, электрический контроллер 8, который регулирует открытие и изменение проходного сечения регулятора сечения 7 в зависимости от текущей нагрузки на топливный элемент 1, которая влияет на текущее значение давления реагента на входе в топливный элемент 1. Установки контроллера 8 производятся вручную оператором или по команде компьютерного вычислителя.
С другой стороны, количество подаваемого к топливному элементу реагента регулируется за счет работы струйных аппаратов 10, обеспечивающих циркуляцию реагента. Реагент, поступивший в топливный элемент 1, расходуется не полностью, и после прохождения топливного элемента 1 поступает в контур циркуляции 4, откуда подается в приемную камеру 12 блока 9 струйных аппаратов 10. Реагент, нагнетаемый через сопла 15 струйных аппаратов 10, смешивается внутри конфузора 17 с реагентом, поступившим в приемную камеру 12 и, проходя через цилиндрическую часть 18 и диффузор 19, поступает в топливный элемент 1.
Малый расход реагента обеспечивается за счет работы струйного аппарата 10, имеющего минимальное проходное сечение и рассчитанного на запуск при малом давлении в напорном коллекторе 11. Остальные струйные аппараты при этом работают на малых нагрузках. По мере увеличения нагрузки на топливный элемент требуется обеспечить больший расход реагента, для чего электрический контроллер 8 увеличивает проходное сечение регулятора сечения 7, повышая давление реагента в напорном коллекторе 11. При увеличении давления происходит запуск второго струйного аппарата 10, имеющего большую по сравнению с первым аппаратом расходную характеристику. Аналогично при дальнейшем увеличении давления в напорном коллекторе 11 запускается третий струйный аппарат 10, и последующие струйные аппараты 10, при условии их наличия. Также работа струйных аппаратов 10 может регулироваться с помощью электрического контроллера 8, изменяющего проходные сечения регуляторов сечения 14.
При этом важно то, что параллельное расположение нескольких струйных аппаратов 10 в блоке 9 позволяет существенно сократить максимальную их длину, которая для одного аппарата, способного обеспечить такой же расход реагента, может превышать указанную длину в десять и более раз. Таким образом, решается задача уменьшения габаритов системы топливного элемента, что играет существенную роль при проектировании морской и подводной техники.
Наличие в системе топливного элемента резервного клапана 6 повышает надежность работы системы, что также особенно важно при ее использовании в качестве источника электроэнергии для морских необитаемых и обитаемых подводных аппаратов.
Таким образом, в зависимости от потребностей нагрузки возможно оперативное и эффективное управление подачей в топливный элемент реагента сравнительно простыми известными техническими элементами автоматики, что определяет высокую технологичность заявляемого устройства и его реализацию.