РЕЗЕРВНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ, СОДЕРЖАЩИЙ КОМПАКТНЫЙ КОРПУС КОЛЛЕКТОРА И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО РАБОТОЙ
STANDBY FUEL CELL GENERATOR COMPRISING CLOSE-PACKED COMMUTATOR CASING AND METHODS TO CONTROL ITS OPERATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к электрогенератору на топливных элементах, специально сконструированному как резервное устройство при отсутствии сетевого электроснабжения, в котором множество топливных элементов пакетированы в батарею для генерирования электричества при подаче горючего газа и окисляющего газа на соответственно топливный электрод (анод) и окислительный электрод (катод).
В частности, данное изобретение относится к электрогенератору на топливных элементах, содержащему модуль для электрохимического преобразования (ECM), включающий в себя топливные элементы типа протонообменной мембраны (PEM) и корпус коллектора, соединяющий все входящие и выходящие потоки текучей среды.
Предшествующий уровень техники
Топливные элементы представляют собой одно из наиболее технологически перспективных решений для использования водорода в качестве энергоносителя. Они представляют собой устройства, которые могут посредством выгодного использования электрохимической реакции осуществлять преобразование химической энергии в электрическую энергию.
В одиночном элементе PEM одновременно имеют место две полуреакции: на аноде и на катоде соответственно. Анод и катод топливного элемента PEM являются отделенными посредством электролита, обычно состоящего из мембраны на основе сульфированного полимера, способной проводить протоны, чьи противоположные стороны являются покрытыми слоем соответствующей каталитической смеси (например, на основе платины).
Электролит обычно является насыщенным текучей ионопередающей средой (например, водой), так чтобы ионы водорода могли перемещаться через нее от анода к катоду.
Общая реакция, имеющая место в топливном элементе, представляет собой:
2
2
2
(1) 2H+O→2HO,
что сопровождается выделением тепла и электрической энергии, и происходит в результате из суммы двух полуреакций, происходящих соответственно на аноде:
2
+
-
(2) 2H→4H+4e
и на катоде:
2
2
+
-
(3) O+4H+4e→2HO.
На анод далее поставляется водород, который диффундирует в пределах каталитического слоя и там диссоциирует на ионы водорода и электроны, которые при мембране, являющейся для них непроницаемой, перемещаются по внешней электрической цепи в направлении катода, генерируя электрический ток и соответствующую разность потенциалов. На катод подается газообразная смесь, содержащая кислород, который вступает в реакцию с ионами водорода, переместившимися через электролит, и электронами, поступающими от внешней электрической цепи.
Необходимо, чтобы реагирующие газы были увлажнены, поскольку именно благодаря молекулам воды осуществляется прохождение протонов через полимерную мембрану: слишком низкая степень увлажнения приводит к уменьшенному прохождению протонов от анодной камеры к катодной камере с последующим ухудшением характеристик топливного элемента, в то время как слишком высокая степень увлажнения может вызывать окклюзию каталитических участков с последующим ухудшением характеристик топливного элемента.
Поскольку существует четко определенная связь между напряжением и реакцией (1), для достижения более высоких напряжений множество элементов обычно являются последовательно соединенными с целью формирования батареи
В дополнение к батарее электрогенератор на топливных элементах, сконструированный как резервное устройство при отсутствии сетевого электроснабжения, содержит гидравлическую схему (насос, трубопровод, гасители и так далее), схему подачи газовых потоков и разрядную схему (трубопровод для подачи водорода, трубопровод для подачи кислорода и так далее), систему управления (блок управления, измерители температуры, потока и давления, приводы и так далее). Совокупность всех вышеупомянутых элементов, составляющих оставшуюся часть генератора на топливных элементах, здесь и далее обозначается как BoP (то есть «Вспомогательное оборудование»).
Совокупность всех элементов, формирующих гидравлические соединения между проходными каналами батареи и другими основными элементами электрогенератора на топливных элементах (например, источниками реагентов), обычно занимает значительное пространство и в значительной степени способствует суммарному весу системы. Дополнительно, время, необходимое для их сборки, составляет значительную часть времени, необходимого для сборки всей системы. В свою очередь, это время сборки напрямую влияет на суммарную стоимость электрогенератора на топливных элементах. Фиг.1 иллюстрирует вид известного из уровня техники электрогенератора на топливных элементах, в котором батарея является соединенной с множеством трубок, через которые реагенты подаются на топливные элементы, и продукты реакции разделяются на два потока, одна из которых повторно циркулирует к батарее, в то время как другая окончательно удаляется из системы.
Однако известны решения (например, US 6541148), которые частично борются с этим недостатком посредством обеспечения генератора на топливных элементах с корпусом коллектора, который связывает потоки с батареей и дополнительно содержит сепаратор, расположенный в самом корпусе коллектора, с целью сбора воды из по меньшей мере одного из потоков, уменьшая таким образом до определенной степени суммарную объемистость.
Дополнительно, в US 6875535 раскрыто обеспечение такого коллектора множеством отверстий и каналов для текучей среды, выполненных с возможностью размещения устройств мониторинга с целью осуществления мониторинга состояния текучей среды.
Такая компоновка, включающая в себя корпус коллектора, может в особенности подходить для систем, в которых влажность потоков реагентов, подаваемых в топливные элементы, поддерживается в пределах желаемого диапазона значений, соответствующего надежной работе генератора, посредством циркулирования обратно к батарее предварительно определенной части отработанных анодного и катодного потоков. В этом случае корпус коллектора может содержать камеры смешения, в которых сухие свежие потоки реагентов смешиваются с повторно циркулирующими отработанными потоками, содержащими часть воды, произведенной посредством электрохимической реакции, осуществляемой в топливных элементах.
Однако в этой компоновке регулирование влажности и управление затруднено некоторым количеством факторов.
Во-первых, свежие реагенты, подаваемые на анодную и катодную камеры, испытывают расширение до достижения своей соответствующей камеры смешения в коллекторе. Как следствие, их температура уменьшается, очень часто падая ниже температуры камеры. В результате, когда эти сухие и холодные потоки смешиваются с влажными повторно циркулирующими отработанными потоками в камерах смешения корпуса коллектора, их низкая температура может вызывать излишнюю конденсацию воды, переносимой посредством отработанных потоков, нежелательно уменьшая таким образом результирующую влажность потока, выходящего из корпуса коллектора для входа в батарею, который, таким образом, может являться слишком сухим для обеспечения степеней увлажнения топливного элемента, соответствующих правильной работе батареи. Таким образом, необходимо наличие внешних средств увлажнения, которые невыгодно увеличивают сложность BoP и влияют на время, необходимое для его установки и текущего технического обслуживания. Дополнительно, чем выше количество переменных величин, тем более сложной является система управления, осуществляющая контроль работы электрогенератора, что является невыгодным как с точки зрения увеличенной стоимости, так и с точки зрения уменьшенной надежности.
Во-вторых, батарея топливных элементов является не только частью гидравлической схемы, доставляющей в батарею газообразные реагенты, а также доставляющей отработанные потоки в контуры повторной циркуляции и сливные каналы анодной и катодной камер, но она также является интегрированной во вторую гидравлическую схему, в которой протекает охлаждающая жидкость с целью удаления тепла, сгенерированного в батарее посредством электрохимической реакции, и которая затем передает его потоку дополнительной охлаждающей жидкости или средствам охлаждения, таким как радиаторы или подобные им, или их комбинации.
В этом отношении необходимым является осуществление тщательного управления и мониторинга тепловых потоков, затрагивающих батарею и охладитель. Поскольку охлаждающая жидкость находится в прямом контакте с элементами батареи, фактически, неуправляемое увеличение в ней давления может нанести ущерб топливным элементам на структурном уровне. Как следствие, давление охлаждающей жидкости обычно должно поддерживаться ниже предварительно определенного безопасного значения, особенно когда при удалении тепла из батареи ожидается увеличение ее температуры.
С этой целью необходимо обеспечение дополнительной расширительной емкости для охладителя. Невыгодным является то, что такое решение делает структуру системы более громоздкой и дополнительно затрудняет и так неустойчивое общее тепловое равновесие. Это, в свою очередь, оказывает влияние, как описано выше, также и на увлажнение потоков, подаваемых к батарее.
Как можно сразу же заключить из того, что было описано ранее, известные варианты осуществления резервных систем выработки электричества являются относительно дорогими и требуют точного и тщательного текущего технического обслуживания для предотвращения их ненадежности. Стоит напомнить, что поскольку они представляют собой резервные системы, то есть являются сконструированными для работы только время от времени, в связи с этим все движущиеся части (например, насосы, компрессоры и так далее) нуждаются в регулярном и точном управлении, так чтобы не выйти из строя как раз в тот момент, когда наступит экстренная ситуация.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение электрогенератора на топливных элементах, специально сконструированного как резервное устройство, который преодолевает вышеуказанные недостатки, в частности, предоставляя возможность уменьшения заводских и организационных расходов, а также увеличения эффективности и надежности генератора, в то же время уменьшая его объемистость. Дополнительно, задачей настоящего изобретения является обеспечение электрогенератора на топливных элементах, в котором достигается более эффективная тепловая интеграция между контуром охлаждения батареи и схемой подачи реагентов.
Также задачей настоящего изобретения является обеспечение способов управления работой такого резервного электрогенератора на основе топливных элементов, которые увеличивают его суммарную эффективность как во время критических фаз запуска и остановки, так и в условиях обычной работы.
В соответствии с настоящим изобретением, таким образом обеспечивается электрогенератор на топливных элементах, как изложено в п. 1 формулы изобретения.
Более конкретно, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается электрогенератор на топливных элементах, содержащий батарею топливных элементов, средства для снабжения батареи первым и вторым потоками реагентов, содержащие, в свою очередь, средства уменьшения давления, соответственно, первого и второго потоков реагентов, и корпус коллектора для сообщения первого и второго потоков реагентов с батареей, а также, по меньшей мере, одного потока охлаждающей жидкости через соответствующий контур охлаждения. Корпус коллектора с внутренней стороны содержит камеры для смешивания потоков реагентов с соответствующими повторно циркулирующими потоками продукта, и дополнительно содержит камеру расширения охлаждающей жидкости, внутри которой средства уменьшения давления первого и второго потоков реагентов расположены, по меньшей мере, частично погруженными в охлаждающую жидкость.
Дополнительно, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается способ запуска электрогенератора на топливных элементах для удовлетворения запроса пользователя на электроэнергию (UPR) в соответствии с п. 7, причем данный способ содержит этапы, на которых:
(a) снабжают пользователя вспомогательным питанием (APS) и параллельно питанием топливных элементов (FCP), получаемыми от топливных элементов таким образом, чтобы их сумма являлась по существу равной запросу пользователя на электроэнергию (UPR);
s
sc
(b) получают данные относительно суммарного напряжения батареи (V) и напряжения отдельного элемента (V) каждого одиночного элемента в батарее;
o,s
o,sc
(c) поступательно увеличивают питание топливных элементов (FCP) и уменьшают вспомогательное питание (APS), так чтобы их сумма оставалась по существу равной запросу пользователя на электроэнергию (UPR). В соответствии с изобретением, этап (c) увеличения питания топливных элементов (FCP) осуществляют только если полученные данные детектируются как большие, чем соответствующие опорные значения (V и V), сохраненные в блоке памяти; и только до тех пор, пока питание топливных элементов (FCP) детектируется как равное запросу пользователя на электроэнергию (UPR).
Более того, в соответствии с еще одним другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается способ остановки электрогенератора на топливных элементах в соответствии с п.10, причем данный способ содержит этапы, на которых:
(a) прерывают подачу свежих реагентов к батарее;
(b) измеряют температуру батареи;
(c) охлаждают батарею топливных элементов; и
(d) спускают воду из батареи топливных элементов.
В соответствии с изобретением, этапы (c) и (d) осуществляют одновременно, до тех пор, пока температура батареи детектируется как меньшая, чем опорное значение, сохраненное в блоке памяти.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, обеспечивается способ детектирования переполнения топливного элемента в электрогенераторе на топливных элементах и соответствующего восстановления переполненного топливного элемента, в соответствии с п. 13, причем данный способ содержит этапы, на которых:
(a) получают данные напряжения одиночного элемента для каждого топливного элемента в батарее топливных элементов;
o
(b) вычисляют среднее напряжение одиночного элемента (ASCV) и пороговое значение TV в качестве предварительно определенного процентного отношения от среднего (ASCV);
o
(c) сравнивают напряжение одиночного элемента для элемента с пороговым значением TV;
(d) увеличивают давление внутри поточных трубок топливных элементов, если напряжение одиночного элемента является меньшим, чем пороговое значение.
В соответствии с изобретением, указанный этап (d) осуществляют посредством
(e) первого этапа увеличения потока повторно циркулирующих отработанных газов в направлении батареи, и
(f) второго этапа, осуществляемого после первого этапа и посредством регулирования данного потока повторно циркулирующих отработанных газов в направлении батареи таким образом, чтобы создавать встречное давление таких отработанных газов обратно к батарее;
причем повторяют этап (c) между этапами (e) и (f) и этап (f) осуществляют только, когда напряжение одиночного элемента все еще является меньшим, чем пороговое значение.
В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения, также обеспечивается способ проверки наличия утечек газа в резервном электрогенераторе на топливных элементах, в соответствии с п. 14, причем способ содержит этапы, на которых
1
(i) осуществляют процедуру проверки утечки в течение предварительно определенного времени t; и
2
1
(j) повторяют указанную процедуру проверки утечки в течение предварительно определенного времени t, более короткого, чем t. В соответствии с изобретением, после осуществления этапа (i) и до осуществления этапа (j) останавливают электрогенератор.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает упрощенный общий вид совокупности трубопровода и трубок для входящих и выходящих текучих сред, соединенных с батареей известного электрогенератора на топливных элементах;
Фиг.2 изображает упрощенный общий вид совокупности трубопровода и трубок для входящих и выходящих текучих сред, соединенных через корпус коллектора с модулем для электрохимического преобразования электрогенератора на топливных элементах, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 изображает схематичное представление электрогенератора на топливных элементах в соответствии с изобретением, в котором продемонстрированы контуры повторной циркуляции реагентов, а также контуры охлаждения;
Фиг.4 изображает элемент электрогенератора на топливных элементах по фиг.3, демонстрируя как корпус коллектора и батарея расположены относительно друг друга;
Фиг.5 изображает схематичное представление корпуса коллектора, интегрированного с модулем для электрохимического преобразования электрогенератора на топливных элементах в соответствии с изобретением;
Фиг.6 изображает вид сбоку батареи и ее устройства мониторинга электрогенератора на топливных элементах в соответствии с изобретением;
Фиг.7 изображает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую элементы процедур проверки утечки в соответствии с изобретением;
Фиг.8 изображает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую этапы способа запуска электрогенератора на топливных элементах в соответствии с изобретением;
Фиг.9 изображает иллюстративную диаграмму, в которой опорные значения (сплошная линия) нормированного напряжения топливного элемента являются построенными в зависимости от нормированного тока и сравниваются с соответствующими значениями, непосредственно измеренными на генераторе (характеристическая кривая, пунктирная линия);
Фиг.10 изображает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую этапы способа остановки электрогенератора на топливных элементах в соответствии с изобретением.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.3 показан резервный электрогенератор 1, выполненный с возможностью снабжения электрической энергией пользователя 8. Генератор 1 содержит модуль 50 электрического преобразования, содержащий, в свою очередь, множество топливных элементов PEM, сгруппированных в батарею 5, корпус 27 коллектора и устройство 39 мониторинга напряжения элемента (CVM) (см. элемент на фиг.4). Генератор дополнительно обеспечен блоком 22 регулирования электроэнергии, осуществляющим управление подачей электрической энергии пользователю 8 посредством попеременного воздействия на переключатели, так чтобы пользователь получал электроэнергию либо от генератора 1 либо от других аварийных источников электроэнергии (таких как батареи, конденсаторы и так далее). Дополнительные детали, касающиеся режимов работы, управляемых посредством блока 22 регулирования электроэнергии, будут описаны ниже.
Поток водорода в стехиометрическом избытке подается на генератор 1 от средства 2 подачи, состоящего, например, из цилиндра с технически чистым водородом. Подача водорода обеспечивается посредством вентильного средства 3, состоящего из вентилей, которые могут управляться вручную или управляться электронным способом посредством блока управления (не показан). Дополнительно давление потока водорода, подаваемого к батарее 5, регулируется посредством средства 4a уменьшения давления (см. элемент на фиг.5), состоящего, например, из вентиля уменьшения давления. Обеспечивающие поток вентильное средство 3 и средство 4a уменьшения давления расположены выше по потоку от батареи 5 с учетом направления потока для подаваемого потока водорода.
На фиг.3 показаны средства 11 для подачи окисляющего газа. Для резервного генератора, такого как описываемый в настоящем документе, средства 11 для подачи окисляющего газа предпочтительно состоят из находящегося под давлением источника чистого кислорода, например они состоят из находящегося под давлением цилиндра. Кислород выпускается из средства 11 и подается в стехиометрическом избытке к батарее 5, его поток обеспечивается посредством подходящих вентильных средств 3, схожих с теми, которые были описаны выше со ссылкой на водородную схему, состоящую из вентилей, которые могут управляться вручную или управляться электронным способом посредством блока управления (не показан). Выше по потоку от батареи 5 топливных элементов PEM, с учетом направления потока для подаваемого потока кислорода генератор 1 дополнительно содержит средство 4c уменьшения давления (например, вентиль уменьшения давления), также схожее со средствами, используемыми для потока водорода и описанными выше.
В потоке водорода, подаваемого к батарее, поддерживается степень увлажнения, подходящая для правильной работы топливных элементов PEM, посредством средств увлажнения, состоящих исключительно из первого насоса 9 повторной циркуляции для первой предварительно определенной части избыточного потока водорода в направлении анодной камеры топливных элементов PEM батареи 5. Первый насос 9 повторной циркуляции устанавливается с возможностью работы так, чтобы первая часть повторно циркулирующего избыточного потока водорода представляла собой предварительно определенную часть потока водорода, входящую в батарею 5, так чтобы поддерживать в том же самом входящем потоке водорода степень увлажнения, подходящую для правильной работы топливных элементов батареи (например, 90-100%). Этот первый насос 9 повторной циркуляции является выполненным непосредственно выше по потоку от анодной камеры батареи 5 на анодной ветви A повторной циркуляции.
Схожим образом, в потоке кислорода, подаваемого к батарее 5, поддерживается степень увлажнения, подходящая для правильной работы топливных элементов PEM, посредством средств увлажнения, состоящих исключительно из второго насоса 10 повторной циркуляции для первой предварительно определенной части избыточного потока кислорода в направлении катодной камеры топливных элементов PEM батареи 5. Второй насос 10 повторной циркуляции установлен с возможностью работы так, чтобы первая часть повторно циркулирующего избыточного потока кислорода представляла собой предварительно определенную часть потока кислорода, входящую в батарею 5, так чтобы поддерживать в том же самом входящем потоке кислорода степень увлажнения, подходящую для правильной работы топливных элементов батареи (например, 90-100%). Этот второй насос 10 повторной циркуляции является выполненным непосредственно выше по потоку к катодной камере батареи 5 на катодной ветви C повторной циркуляции.
Первая часть избытка водорода, выходящая из анодной камеры, осуществляющая повторную циркуляцию, составляет по меньшей мере 10% от потока водорода, поступающего в батарею 5.
Схожим образом, первая часть избытка кислорода, выходящая из катодной камеры, осуществляющая повторную циркуляцию, составляет по меньшей мере 10% от потока кислорода, поступающего в батарею 5.
Вентильные средства 14 и 15 являются выполненными последовательно с насосами 9 и 10 на соответственно анодной ветви A повторной циркуляции и на катодной ветви C повторной циркуляции. Эти вентильные средства могут быть расположены либо ниже по потоку либо выше по потоку от насосов повторной циркуляции. При обычных рабочих условиях вентильные средства 14 и 15 будут открыты, но они переключаются в положение «закрыто» при определенных аномальных условиях или при условиях проверки, как будет описано ниже.
Дополнительно выпускные вентильные средства 16 и 17 выполнены параллельно на соответственно анодной ветви A повторной циркуляции и на катодной ветви C повторной циркуляции. Выпускные вентильные средства 16 и 17 выполнены с возможностью выпуска из анодной и катодной камер 12 и 13 соответственно соответствующих частей избытка водорода и окисляющего газа, подаваемых к батарее 5, которые не осуществляют повторную циркуляцию. Выпускные вентильные средства 16 и 17 могут состоять из вентилей, управляемых вручную или электронным образом, и/или из трубы, обеспеченной соплом.
Также, с целью удаления избыточной воды из соответственно анодной и катодной схем обеспечиваются сливные каналы 6 и 7 для воды, соединенные с корпусом 27 коллектора. Данные сливные каналы 6 и 7 для воды являются сконструированными с возможностью соединения напрямую с корпусом 27 коллектора и с перспективой уменьшения их размера с учетом устройств, известных в уровне техники.
Свежий водород от источника (средства подачи) 2 и повторно циркулирующая часть избыточного водорода, протекающая в ветви A, подаются на соответствующие входные отверстия 28 и 29 корпуса 27 коллектора. Схожим образом, свежий окисляющий газ от источника 11 и повторно циркулирующая часть избыточного окисляющего газа, протекающая в ветви C, подаются на соответствующие входные отверстия 30 и 31 корпуса 27 коллектора.
Корпус 27 коллектора содержит камеру 23 смешения с анодной стороны, гидравлически соединенную с входными отверстиями 28 и 29, и камеру 24 смешения с катодной стороны, гидравлически соединенную с входными отверстиями 30 и 31.
Камера 23 смешения имеет первое выходное отверстие (не показано), гидравлически соединенное с анодной камерой батареи 5, и второе выходное отверстие, гидравлически соединенное с конденсационной камерой 25 с анодной стороны.
Камера 24 смешения имеет первое выходное отверстие (не показано), гидравлически соединенное с катодной камерой батареи 5, и второе выходное отверстие, гидравлически соединенное с конденсационной камерой 26 с катодной стороны.
Конденсационные камеры 25 и 26 также содержатся внутри корпуса 27 коллектора, и их геометрия является такой, что скопления воды размером больше, чем 10 мкм, удаляются под собственным весом посредством центробежного эффекта. Конденсированная вода затем удаляется посредством сливных каналов 6 и 7 для воды, напрямую соединенных с корпусом 27 коллектора. Удаление избыточной воды, достигаемое посредством центробежного эффекта в конденсационных камерах 25 и 26, улучшает работу насосов 9 и 10 повторной циркуляции. Первая часть газов, выходящая из конденсационных камер 25 и 26, осуществляет повторную циркуляцию через ветви A и C к батарее посредством насосов 9 и 10 повторной циркуляции, в то время как оставшаяся часть спускается посредством спускных вентильных средств 16 и 17.
Поскольку электрохимическая реакция, имеющая место в топливных элементах, является глобально экзотермической, генерируемое ей тепло должно удаляться из батареи 5 с целью поддержания ее рабочей температуры в пределах оптимального диапазона, находящегося между 50 и 80°C (предпочтительно, около 65°C). Как следствие, электрогенератор 1 в соответствии с изобретением обеспечивается первичным контуром 36 охлаждения и вторичным контуром 37 охлаждения (см. фиг.3).
Охлаждающая жидкость, осуществляющая циркуляцию посредством насоса 18, протекает в первичном контуре 36 охлаждения и находится в прямом контакте с батареей. По выходе от батареи она первой отправляется в теплообменник 19, где она передает тепловую энергию охлаждающей жидкости, протекающей во вторичном контуре 37. Насос 18 затем перекачивает ее обратно к батарее 5. Жидкий охладитель, протекающий во вторичном контуре 37, собирает тепло от блока 22 регулирования электроэнергии и от первичной охлаждающей жидкости в теплообменнике 19. Затем он переправляется к радиатору 20, который может предпочтительно быть обеспеченным вентилятором, где он охлаждается.
Корпус 27 коллектора, описанный выше, также является интегрированным с первичным контуром 36 охлаждения. С этой целью корпус 27 коллектора предпочтительно содержит (см. фиг.5) камеру 38 расширения охлаждающей жидкости с целью компенсации увеличения давления охлаждающей жидкости, связанного с увеличением температуры. В результате давление охлаждающей жидкости внутри первичного контура 36 всегда поддерживается ниже 500 мбар. Предпочтительно, давление охладителя внутри первичного контура поддерживается ниже 400 мбар. Для простоты использования внутри корпуса 27 коллектора обеспечивается отверстие для заполнения первичного контура 36 охлаждения охладителем.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, камера 38 расширения охлаждающей жидкости расположена внутри корпуса 27 коллектора и намеренно сконструирована с возможностью размещения вышеупомянутых средств 4a,c уменьшения давления как водородной схемы, так и схемы окисляющего газа.
Таким образом, обеспечивается тепловая компенсация для расширения свежего окисляющего газа, подаваемого в генератор. Внезапное уменьшение давления, как подробно описано выше, вызвало бы падение температуры окисляющего газа ниже температуры камеры, и, как следствие, это бы вызвало конденсацию слишком большого количества воды, изменяя тем самым влажность внутри батареи до нежелательно низкого значения. Это предотвращается посредством размещения средств 4a,c уменьшения давления внутри камеры 38 расширения охладителя, так чтобы теплая охлаждающая жидкость перед выходом из корпуса коллектора предварительно нагревала сухие потоки реагентов посредством передачи тепла средствам 4a,c уменьшения давления, которые всегда являются, по меньшей мере, частично погруженными в нее.
Другими словами, конструкция и размещение камеры 38 расширения охладителя в соответствии с изобретением обеспечивает возможность как улучшенной тепловой интеграции системы, так и уменьшения ее объемистости. Выгодно осуществляется не только тепловой обмен между средствами 4a,c уменьшения давления и охлаждающей жидкостью, предотвращая таким образом нежелательную конденсацию воды, содержащейся в повторно циркулирующих газах, но также средства уменьшения давления удобно размещаются внутри корпуса коллектора, обеспечивая таким образом лучшее использование пространства посредством уменьшения суммарного размера электрогенератора 1.
Предпочтительно, для предотвращения увеличений проводимости охлаждающей жидкости в камере 38 расширения охладителя могут обеспечиваться ионообменными смолами.
Корпус 27 коллектора может быть изготовлен из полимерного материала. Сам корпус коллектора, как следствие, может выступать в качестве теплоизоляционного материала, обеспечивая таким образом более легкое управление процессами конденсации независимо от колебаний температуры окружающей среды. Предпочтительно, корпус 27 коллектора изготовлен из моплена, чьи механические и физические характеристики (например, высокая точка плавления) всегда являются соответствующими условиям работы батареи. Отсутствие металлических поверхностей обеспечивает то, что ни газообразные реагенты, ни охлаждающая жидкость не могут быть загрязнены посредством металлических частиц. Дополнительно, стоимость значительно уменьшается (вплоть до 70% с учетом металлического трубопровода), поскольку все описанные гидравлические элементы получаются выполненными за одно целое друг с другом посредством операции формования для получения корпуса коллектора. Более того, наличие корпуса 27 коллектора в качестве соединяющего элемента гидравлических схем, интегрированных с батареей, значительно уменьшает (вплоть до 80%) время, требуемое для сборки электрогенератора. Возможность утечек также значительно уменьшается, как и вероятность образования льда, поскольку конденсационные камеры являются напрямую соединенными со сливными каналами жидкой среды. Дополнительно, сливные каналы жидкой среды были сконструированы так, чтобы минимизировать их размер: в частности, поплавок в сливном канале был сконструирован так, чтобы для вызова открывания затвора в сливном канале был необходим довольно низкий уровень воды.
Преимущественно, в целях управления в корпусе 27 коллектора размещается множество зондов, измеряющих температуру, давление и проводимость поступающих и выходящих текучих сред. В результате зонды расположены в непосредственной близости к батареи, что предоставляет возможность более быстрых и более точных измерений с учетом других устройств, ранее использованных в уровне техники. Также, более легким является обслуживание.
В соответствии с изобретением, электрогенератор 1 на топливных элементах дополнительно содержит устройство 39 мониторинга напряжения элемента, которое осуществляет сбор множества соответствующих данных напряжения каждого топливного элемента батареи 5. Устройство 39 мониторинга, которое напрямую соединено с батареей 5, состоит из последовательности модулей преобразователя ADC, количество которых может выбираться и регулироваться в зависимости от количества топливных элементов, формирующих батарею. Каждый модуль может быть выполнен с возможностью сканирования от 1 до 20 данных напряжения одиночного топливного элемента. Могут быть использованы модули преобразователя ADC, каждый рассчитанные на сканирование 16 данных напряжения одиночного топливного элемента.
Это устройство предоставляет возможность менее строгого допуска касательно расстояния между шпильками с учетом случая, когда для всех топливных элементов сразу используется одиночное CVM.
Компоновка, в которой каждый модуль получает некоторое количество данных напряжения, равное энергии двух, содействует обработке данных со стороны программного обеспечения. Максимальное напряжение для каждого модуля составляет менее 16 В, в связи с чем компоненты CVM являются защищенными ввиду обычно низкого напряжения изоляции стандартных электронных компонентов.
Электрическое соединение между каждым одиночным топливным элементом и устройством 39 мониторинга обеспечивается посредством системы металлических контактов и пружин. Перед установкой все контакты и пружины проходят обработку поверхности с целью предотвращения процессов окисления, которые потенциально могли бы вызвать ложные электрические контакты.
Время, требуемое устройством 39 мониторинга для сбора данных напряжения одиночного топливного элемента, составляет около 1 мс.
Устройство 39 мониторинга обеспечивается процессором (не показан), который является программируемым с возможностью выполнения математических операций с целью вычисления минимального напряжения топливного элемента, максимального напряжения топливного элемента, среднего напряжения топливного элемента, а также среднеквадратического отклонения напряжений одиночного топливного элемента. Эта информация, основная для эффективного управления резервной энергетической системой, передается системе управления.
Каждый модуль устройства 39 мониторинга напряжения элемента способен осуществлять сканирование всех данных напряжения относительно соединенных с ним топливных элементов и выполнять соответствующие математические операции, необходимые для организации его работы и управления им, за период около 50 мс.
Каждому пользователю 8 электричество может подаваться выборочно или одновременно, посредством батареи 5 и посредством вспомогательного источника, состоящего из, например, батарей 60 известного типа, или в качестве альтернативы посредством конденсаторов, разряжаемых управляемым способом, через активацию средств переключения или регулирования электроэнергии, которые, таким образом, становятся средствами для управления извлечением электрической энергии пользователем от батареи и/или вспомогательного источника электрической энергии.
Блок 22 регулирования электроэнергии содержит два отдельных модуля, работающих вместе:
- модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток (DC/DC), выполненный с возможностью стабилизации напряжения батареи на заданном значении, подходящем для пользователя 8 электроэнергии (например, 48 В для резервных приложений в сфере телекоммуникаций);
- модуль 41 преобразования постоянного тока в переменный ток (DC/AC), действующий в качестве обратного преобразователя с линейной интерактивной функцией UPS (класс 1).
Таким образом, модуль 40 DC/DC блока 22 регулирования электроэнергии имеет симметричную архитектуру и способен осуществлять работу в соответствии с множеством режимов работы, определенных как нижеследующие:
- Режим стабилизации выходного напряжения: во время постоянного и продолжительного генерирования электрической энергии, посредством блока 22 регулирования электроэнергии выходное напряжение поддерживается постоянным, каким бы ни был ток, необходимый пользователю электричеством;
- Режим стабилизации входного тока: эта конфигурация применяется во время фазы запуска (в течение менее, чем 30 секунд) с целью недопущения перегрузки батареи;
- Режим стабилизации входного тока вспомогательного источника энергии: эта конфигурация применяется, когда вспомогательный источник энергии подвергается глубокой разрядке, и является необходимым ограничение входного тока до максимального значения входного тока, подходящего для вспомогательного источника энергии.
Модуль 40 DC/DC имеет особенность большего диапазона поступающего напряжения. Стандартный модуль DC/DCобычно работает при 48 В ± 20%, в то время как модуль 40 DC/DC выполнен с возможностью быть совместимым с диапазоном напряжения, поддерживаемым между 37 В и 65 В.
Модуль 41 DC/AC также выполнен с возможностью работы в трех различных операционных режимах:
- генерирования напряжения: когда генератор работает как отдельный генератор и UPS;
- генерирования тока в соединении с общей сетью;
- ректификации зарядного устройства батареи: когда временное отсутствие электричества заканчивается, и вспомогательный источник, который был разряжен во время запуска генератора, должен быть повторно заряжен.
Далее будут детально описаны различные фазы работы электрогенератора 1:
1. Запуск
1.1 Проверка утечки
Резервные электрогенераторы на основе топливных элементов используют взрывоопасные газы, таким образом, исключение какой-либо любой утечки является существенно важным.
С этой целью осуществляется процедура проверки утечки (фиг.6), которая в основном использует измерение значения давления на протяжении предварительно определенного периода времени (оценивая тем самым градиент давления) посредством множества датчиков 42 давления, расположенных внутри корпуса коллектора и в непосредственной связи с трубками, при предварительно закрытых входных вентилях 3 и выпускных вентилях 6 и 7.
(
Если в системе не имеется никаких утечек, давление внутри анодной и катодной схемы будет поступательно уменьшаться известным образом до атмосферного давления градиент опорного давления).
0
0
0
Процедура проверки утечки, таким образом, осуществляется посредством введения (фиг.6, блок 202) соответствующих газов в анодную и катодную схемы, закрывая в то же время (блок 203) входные и выпускные вентили, как описано выше, и получая значение данных давления (блоки 204) на протяжении установленного периода времени t (блок 205). После установленного периода времени t давление получают снова (блок 206). Если (блок принятия решения 207) средний градиент давления, вычисленный на основе полученных данных (и в основном оцененный как ∆P, то есть суммарное отклонение давления на протяжении периода времени t), является равным или большим, чем опорный градиент, процедура проверки утечки возвращает (блок 209) значение, связанное с отсутствием утечек в системе, и является возможным переход к процедуре запуска. Если, наоборот, это сравнение демонстрирует, что в наличии имеются утечки в системе, работа генератора прерывается и осуществляется требование технического вмешательства (блок 208).
Эта процедура проверки утечки является частью процедуры запуска электрогенератора 1, которая будет описана далее более детально со ссылкой на фиг.7. Поскольку короткое время запуска является одной из главных задач резервной системы, мониторинг давления осуществляется в течение относительно короткого времени (например, 10 секунд), так чтобы было предотвращено возможное наличие больших утечек без введения слишком большой задержки.
В соответствии с одним аспектом изобретения, та же самая процедура проверки утечки также выполняется, как будет дополнительно описано ниже, как часть процедуры остановки. На этом этапе осуществляется мониторинг давления в течение не менее 60 секунд, так чтобы могло быть детектировано наличие очень малых утечек. В соответствии с этим, может быть констатировано отсутствие даже незначительных утечек. В то время как подтверждение отсутствия значительных утечек во время фазы запуска нацелено на обеспечение возможности работы генератора, в качестве резервного источника электрической энергии для пользователя, в кратчайшие после этого сроки, повтор еще более точного контроля сразу после остановки генератора имеет преимущество подтверждения того, что генератор будет готов к безопасной и эффективной работе, когда произойдет следующее отключение энергии.
1.2 "Умное" управление запуском
Максимальная выходная энергия батареи зависит от нескольких факторов, таких как температура батареи, степень увлажнения смеси реагентов, наличие воды в жидком состоянии внутри батареи и так далее. Во время обычной продолжительной работы система является выполненной с возможностью управления этими параметрами, так чтобы обеспечивались оптимальные условия управления батареей. Однако же при применениях в качестве резервного устройства прогнозировать условия запуска генератора не является возможным, однако же, ожидается, что генератор будет в состоянии запускаться при любой температуре и при любых условиях влажности в течение максимально возможно короткого периода времени, не вызывая повреждения системы ни в ближайшее время, ни потом.
В целях осуществления этого система, описываемая в настоящем документе, следует процедуре запуска, на основе которой регулируется запрос энергии от батареи, момент за моментом, на приблизительно максимальное значение, совместимое в это время и при этих условиях с ее безопасной и правильной работой и с исключением структурных повреждений в топливных элементах. Фактически, если от батареи потребуется неправильное обеспечение энергии, большей, чем текущее максимальное совместимое значение, генератор может некоторым образом соответствовать этому запросу, однако же это может с большой вероятностью вызвать локальный перегрев в одном или более топливных элементах (то есть возникновение "горячих участков"), что может непоправимо повредить протонообменные мембраны. Это локализованное увеличение температуры происходит, когда топливный элемент реагирует на излишний запрос энергии посредством подачи тока, близкого к максимальному значению, в связи с чем его напряжение значительно уменьшается, возможно, до того, что становится нулевым или даже отрицательным.
Как следствие, эффективность и надежность резервного генератора может быть непоправимо нарушена и при следующем отключении энергии он может вообще отказать в работе.
o,s
o,sc
В соответствии о способом запуска по настоящему изобретению, как обозначено в блок-схеме последовательности операций по фиг.8, после того как описанная выше процедура проверки утечки была завершена (блок 101), данные относительно суммарного напряжения батареи и напряжения отдельного элемента каждого одиночного элемента в батарее непрерывно получаются (103) и сравниваются (блок принятия решения 104) с соответствующими опорными значениями V и V, сохраненными в блоке памяти (не показан). Элемент сравнения предусмотен в виде примера на фиг.9, где опорные значения нормированного напряжения построены в зависимости от нормированного тока и сравниваются с соответствующими значениями, измеренными на системе (характеристическая кривая).
o,s
o,sc
s
sc
s
sc
Опорные значения нормированного напряжения в качестве функции нормированного тока, которые являются построенными в качестве опорной кривой на фиг.9, являются отобранными намеренно на основе данных, полученных во время работы батареи при номинальных условиях (например, температуре 60-65°C, влажности 90-100%) с перспективой обеспечения надежной работы генератора. Система управления является запрограммированной так, чтобы допускать предварительно определенное процентное отклонение (PPD) от соответствующих опорных значений V и V для суммарного напряжения батареи V и среднего напряжения одиночного элемента V. В целях минимизирования времени, необходимого для достижения номинального рабочего тока батареи (установленного на этапе 180A), PDD может устанавливаться на 15% для V и на 20% для V.
Если, учитывая PPD, действительная рабочая точка батареи находится ниже соответствующего опорного значения, запрос на энергию вне топливных элементов уменьшается (блок 105), в то время как если рабочая точка батареи находится выше опорного значения, запрос на энергию вне топливных элементов будет увеличиваться (107) перед проверкой того (блок принятия решения 106), является ли энергия вне топливных элементов равной энергии, запрашиваемой пользователем 8 электроэнергии. До тех пор, пока это условие не является подтвержденным, энергия, запрашиваемая вне топливных элементов, увеличивается; когда это условие окончательно подтверждается, процедура запуска успешно заканчивается. До тех пор, пока батарея окончательно не достигнет полной мощности (блок 108), вспомогательные источники энергии осуществляют подачу дополнительной энергии, необходимой для обеспечения того, чтобы энергетические требования пользователя 8 полностью удовлетворялись.
По завершении процедуры запуска, когда полный запрос пользователя на электроэнергию окончательно удовлетворяется посредством только батареи топливных элементов, от батареи может запрашиваться подача дополнительного количества энергии, используемой для повторной зарядки вспомогательных источников энергии, то есть батарей или конденсаторов, так чтобы они также были полностью заряженными и готовыми к использованию, когда вновь возникают обстоятельства, требующие вступления в дело резервного генератора.
2. Управление во время работы
2.1 Способ для восстановления переполненной батареи топливных элементов
Устройство 39 мониторинга осуществляет мониторинг работы каждого одиночного элемента в батарее 5 посредством получения множества данных относительно напряжения, температуры, влажности и осуществляет вычисление на основе этих данных, минимального напряжения элемента и распределения напряжения одиночного элемента.
Дополнительно на основе этих элементов информации устройство 39 мониторинга осуществляет регулирование скорости насосов 9 и 10 на соответствующих контурах повторной циркуляции.
0
Если напряжение одиночного элемента для одного элемента детектируется как являющееся меньшим, чем пороговое значение TV, вычисленное в качестве предварительно определенного процента от среднего всех напряжений одиночных элементов (например, 80% от среднего значения), вероятным является то, что произошло переполнение этого одиночного топливного элемента.
Когда это действительно происходит, система управления увеличивает в ответ потоки кислорода и водорода посредством установки насосов повторной циркуляции на максимальную скорость так, что локальное давление в схемах перекачивания реагентов увеличивается, и причина непроходимости, при ее наличии, тем самым механически устраняется. Если поведение одиночного топливного элемента не улучшается вследствие такой регулировки, применяется способ для восстановления переполненного топливного элемента, который будет описан далее.
Когда устройство мониторинга напряжения элемента детектирует уменьшение напряжения одиночного топливного элемента, как описано выше, система управления инициирует процедуру для его восстановления.
Процедура восстановления топливного элемента содержит этап увеличения давления внутри внутренних каналов топливных элементов батареи 5 посредством закрытия вентильных средств 14 и 15 в соответственно ветвях A и C в течение очень короткого отрезка времени (например, менее чем 1 с).
Если способ восстановления осуществляется на одной схеме (анодной или катодной), вентильные средства (14 или 15, в зависимости от того, какая схема задействована) открываются, когда дифференциальное давление достигает предварительно определенного максимального значения, с целью исключения разрыва мембраны. Такое предварительно определенное максимальное значение может быть установлено на 500 мбар, предпочтительно, 400 мбар.
Когда напряжение элемента падает ниже первого предварительно определенного значения, например 450 мВ, батарея временно отсоединяется от пользователя, который затем обслуживается, до момента восстановления соединения с батареей, посредством альтернативных источников энергии, таких как аккумуляторные батареи. Если напряжение элемента падает ниже второго предварительно определенного значения, более низкого, чем первое предварительно определенное значение (например, 300 мВ), выдается сигнал тревоги и работа генератора прерывается.
2.2 Управление температурой батареи
ref
Электрогенератор 1 содержит систему управления (не показана), выполненную с возможностью управления температурой батареи топливных элементов посредством варьирования угловой скорости вентиляторов 20. Угловая скорость вентиляторов увеличивается или уменьшается в качестве функции разности между измеренной температурой батареи топливных элементов и опорным значением температуры T. С этой целью в корпусе коллектора размещается множество температурных датчиков.
3. Остановка
Как описано выше, наличие воды в жидком виде в топливном элементе может вызывать серьезное повреждение самого топливного элемента, провоцируя тем самым уменьшение суммарной действенности резервного генератора. В этом отношении одним из наиболее критических этапов является остановка резервного генератора, поскольку температура в системе уменьшается, газы больше не поступают в батарею топливных элементов, и в батарее может конденсироваться пар, закупоривая, таким образом, каналы поля протекания внутри топливных элементов, то есть каналы, по которым внутри батареи 5 топливных элементов протекают реагенты и продукты.
С целью предотвращения этого нежелательного сценария, осуществляется нижеследующая процедура остановки, которая будет описана ниже со ссылкой на фиг.10.
После того, как пролонгированная процедура проверки утечки, описанная выше, была успешно завершена (блок 301), поток поступающих газов прерывается посредством переключения (блок 302) вентильных средств 3 в соответствующее положение "Закрыто". Свежие реагенты больше не подаются в генератор, в связи с чем для потребления остаются только газы, которые находились внутри батареи во время переключения положения. Поскольку пользователь больше не является соединенным с генератором 1, для потребления газов, все еще находившихся внутри батареи во время переключения, обеспечивается электрическое сопротивление, которое, при обычных рабочих условиях, не является электрически соединенным с батареей, в то время как в этих условиях это так. Более того, насосы 9 и 10 повторной циркуляции остаются включенными с целью способствования выпуску воды через выпускные вентильные средства 16 и 17, удерживающиеся открытыми.
0
0
Если (блок принятия решения 303) температура батареи 5, измеряемая посредством зонда, размещенного внутри корпуса 27 коллектора, является большей, чем предварительно определенное установленное значение T, насосы контуров охлаждения (18 и 21) и вентилятор 20 радиатора являются включенными. Они остаются включенными, по мере того как температура уменьшается, до тех пор пока (блок принятия решения 305) не достигается предварительно определенное установленное значение T.
0
0
Значение T может варьироваться в зависимости от условий окружающей среды, но обычно оно находится между 20°C и 35°C. Предпочтительно, T устанавливается на 27°C.
Когда достигается предварительно определенное установленное температурное значение, как продемонстрировано на блоке 306, спускные вентильные средства 16 и 17 закрываются, и насосы 9 и 10 повторной циркуляции вместе с насосами контура охлаждения (18 и 21) и вентилятором радиатора (22) выключаются.
Таким образом, осуществляется способ остановки резервного электрогенератора на топливных элементах, содержащий этап, на котором одновременно охлаждают систему и спускают воду посредством интенсификации циркуляции газообразных потоков (насосы 9 и 10 удерживаются включенными) с целью способствования вытеснению воды в направлении сливных каналов (выпускных вентильных средств 16 и 17), которые также удерживаются открытыми, также поддерживая в то же самое время поток первой и второй охлаждающих жидкостей в их соответствующих трубках (насосы 18 и 21 удерживаются включенными). Таким образом, система максимизирует удаление воды еще до того, как она может конденсироваться, поскольку вся операция выполняется непрерывно, до тех пор,пока температура остается выше, чем установленное значение, являющееся безопасно более высоким, чем точка конденсации воды.
Эта процедура выгодно сохраняет трубки свободными от воды, обеспечивая таким образом то, что при следующем отключении энергии случайность переполнения будет исключена, и свежие газообразные реагенты смогут протекать по полностью свободным проходным каналам.
Проверка в режиме ожидания
Применяемые в качестве резервных устройства характеризуются очень высокой надежностью и коротким временем работы по сравнению с временем ожидания. Как следствие, с целью проверки надежности генератора система управления выполняет самодиагностику с предварительно установленной периодичностью (например, каждую неделю, каждый месяц или каждые шесть месяцев). Осуществляются три вида проверок:
- проверка вспомогательного оборудования: каждый вспомогательный компонент (насосы, вентиляторы, электронные вентили и так далее) выборочно включается, и его работа проверяется посредством датчиков, расположенных на корпусе коллектора;
- проверка батареи топливных элементов: во время этой проверки требуется минимальная энергия вне батареи топливных элементов, и посредством системы управления проверяются как правильный запуск, так и работа одиночных элементов;
- проверка генератора: имитируется отключение энергии, так что генератор должен включиться. Данное отключение продолжается в течение периода времени, необходимого батарее для достижения номинальных условий.
Если любая из этих проверок не удается, осуществляется требование технической поддержки.
Электрогенератор в соответствии с настоящим изобретением имеет некоторое количество преимуществ,относительно известных в уровне техники решений, состоящих в том, что, в частности, суммарный размер и вес системы являются значительно уменьшенными: генератор не только не содержит громоздкие вспомогательные устройства, такие как воздуходувные устройства или узкоспециализированные устройства увлажнения, но также мощность и действенность генератора являются равными, геометрия и функциональность корпуса коллектора, описанного в настоящем документе, являются такими, что дополнительно уменьшают объемистость генератора. Прямое сравнение генератора в соответствии с изобретением с известным из уровня техники генератором может быть сделано на основе чертежей по фиг.1 и по фиг.2.
В результате, как структуры, так и функций корпуса коллектора, как описано в настоящем документе, достигаются: большая простота производства, управления и технического обслуживания системы; дополнительно являются уменьшенными временные периоды запуска.