ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
POWER PLANT FOR OPERATION IN NEGATIVE TEMPERATURE CONDITIONS

Область техники
Изобретение относится к топливным элементам, в частности к энергоустановкам на топливных элементах, предназначенным для использования в качестве мобильных (переносных, передвижных) и/или стационарных установок в условиях отрицательных температур окружающей среды до -40…-60°С.
Данное изобретение относится к устройству для поддержания рабочей температуры топливного элемента на уровне 35-55°С и заданных параметров эксплуатации систем управления и контроля энергоустановки на топливных элементах, а также предотвращения замерзания воды в компонентах энергоустановки на топливных элементах, в частности на топливных элементах с протонообменной мембраной, в периоды пуска, эксплуатации, временной остановки и хранения.
Уровень техники
Настоящее изобретение обеспечивает устройство для поддержания температуры мобильной энергоустановки на топливных элементах (ТЭ) мощностью не более 1 кВт, в частности с твердым полимерным электролитом, в период автономного запуска, эксплуатации, временной остановки и хранения в условиях низких температур до -40°С.
Известна энергоустановка с топливными элементами, предназначенная для работы в условиях низких температур патент US №6103410 A на изобретение, опубл. 15.08.2000 г. Согласно настоящему изобретению в канал подачи воздуха топливного элемента подается разбавленная смесь водорода, порядка двух объемных процентов водорода в воздухе, и за счет экзотермической реакции водорода с кислородом воздуха происходит саморазогрев топливного элемента до рабочей температуры.
Согласно изобретению, в котором используется разбавленная смесь водорода и воздуха, содержание водорода в водородно-воздушной смеси не должно превышать 4 об.%, чтобы предотвратить пламя, взрыв и повреждение от локального нагрева. Данная концентрация ниже пределов воспламеняемости и взрыва и необходима также для поддержания локальной температуры нагрева ниже примерно 90°С (194°F), для предотвращения повреждения самого топливного элемента.
Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности автономного запуска энергоустановки в условиях низких температур, поскольку тепла от реакции окисления водорода в случае ограничения концентрации водорода недостаточно для разогрева ТЭ до рабочей температуры и предотвращения замерзания водяного пара - продукта реакции в объеме ТЭ, а увеличение концентрации водорода может привести к локальным перегревам и непосредственному повреждению ТЭ.
Известно технологическое решение для обеспечения холодного пуска и поддержания температуры энергоустановки на топливных элементах с использованием дополнительной системы подогрева патент US 8288049, опубл. 26.08.2004 г. В данном изобретении предложен нагреватель, который внешне подключен к батарее топливных элементов. Питание нагревателя осуществляется с помощью электронного контроллера. Контроллер запускает воздуходувку и открывает клапан подачи водорода, если необходим нагрев рабочих газов. Недостатком данного изобретения является отсутствие системы и аппаратуры для поддержания температуры внутри установки для обеспечения стабильной работы электронных устройств, обеспечивающих автоматическое функционирование батареи ТЭ, в условиях отрицательных температур окружающей среды, а также наличие внешнего нагревателя, который подключен к выходу батареи топливных элементов, что приводит к значительному увеличению потребления водорода при эксплуатации установки.
Известно устройство для предотвращения замерзания воды на электростанциях на топливных элементах во время хранения патент US №6797421, опубл. 17.07.2003 г. выбранное за прототип. В состав устройства входит энергоустановка на основе топливных элементов в частности с твердым полимерным электролитом, состоящих из анода(ов), катода(ов), мембран, системы охлаждения батареи, сжигателя водорода в потоке воздуха, система увлажнения рабочих газов с дополнительным внешним конденсатором паров воды, расположенные внутри бокса, а также внешние газодувки воздуха для сжигателя, нагревателя воды и топливного элемента, источник водорода/баллон.
Данное техническое решение предполагает, что выделившееся в результате реакции окисления водорода в потоке воздуха в сжигателе тепло используется для подогрева воздуха во внутреннем объеме энергоустановки с теплоизолированной оболочкой, которое в ходе естественной конвекции распространяется во всем объеме и предотвращает замерзание воды в системе увлажнения рабочих газов в условиях эксплуатации энергоустановки при отрицательных температурах окружающей среды. Таким образом, обеспечиваются поддержание температуры воды в системе увлажнения рабочих газов и температура нормального функционирования топливного элемента. Основным недостатком прототипа является использование естественной конвекции для теплопередачи в объеме энергоустановки для нагрева топливного элемента и воды в системе увлажнения рабочих газов до рабочей температуры, для чего используется тепло сжигания водорода в каталитическом сжигателе, что значительно увеличивает расход водорода и время разогрева компонентов энергоустановки, а значит время ее запуска в условиях отрицательных температур окружающей среды. При этом в качестве источника стартового нагрева непосредственно топливного элемента используются электроды топливного элемента, что препятствует использованию энергоустановки при резко отрицательных температурах и создает опасность локального перегрева и повреждения топливного элемента. Перечисленный недостатки приводят к снижению эффективности работы энергоустановки и уменьшению ее КПД, в силу значительного потребления водорода системой подогрева, а также высокие массогабаритные характеристики энергоустановки.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение автономного запуска и функционирования мобильной энергоустановки на основе топливных элементов, в частности с твердым полимерным электролитом, мощностью до 1 кВт, а также повышение эффективности работы, сокращение потребности в водороде и минимизация потерь тепла в окружающую среду.
Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что потери тепла в окружающую среду и между элементами энергоустановки минимизируются за счет размещения внутри термоизолированного бокса топливного элемента, рекуперационного теплообменника, системы забора воздуха и каталитического блока сжигания водорода, который соединен с топливным элементом по линии подачи воздуха. Рекуперация тепла внутри энергоустановки позволяет сократить потребление энергоустановки в водороде на разогрев и поддержание температуры.
Для достижения указанного технического результата предлагается энергоустановка для работы в условиях отрицательных температур включающая батарею топливных элементов, каталитический блок, баллоны с водородом и воздухом, линии подачи водорода и воздуха из шлангов и патрубков, краны-дозаторы, вентили, термометры, при этом содержащая рекуперационный теплообменник, баллоны с водородом и воздухом расположены в термоизолированном боксе, выход каталитического блока сжигания водорода соединен с катодами всех топливных элементов в батарее, а линия подачи водорода соединена с анодами всех топливных элементов в батарее.
В предпочтительном варианте: все топливные элементы в составе батареи содержат твердополимерный электролит (мембрану).
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
- Обеспечивается эффективный по сравнению с аналогами подогрев устройства при холодном пуске и последующем генерировании электрической и тепловой энергии в условиях отрицательных температур окружающей среды;
- Отсутствует необходимость дополнительного увлажнения рабочих газов;
Обеспечивается мобильность энергоустановки за счет снижения массогабаритных характеристик, эргономичного расположения комплектующих и использования компактного термоизолированного бокса с возможностью передвижения и/или перемещения.
Краткое описание чертежей
На чертеже показана схема предложенной энергоустановки, где цифрами обозначены:
1 - топливный элемент ТЭ (батарея топливных элементов): 1А - анод(ы) топливного элемента (батареи), 1К - катод(ы) топливного элемента (батареи);
2 - каталитический блок сжигания водорода;
3 - баллон с воздухом;
4, 7 - газодувка;
5 - термоизолированный бокс;
6 - источник водорода;
8 - рекуперационный теплообменник;
9 - замкнутый контур водорода;
10 - электрическая схема энергоустановки;
11 - микроконтроллер;
12 - блок питания БП;
13-17 - датчик температуры;
18 - датчик водорода;
19-28 - электромагнитный клапан;
29, 30 - градуированный ртутный (спиртовой) термометр;
31-33 - вентиль;
34-36 - ручной кран-дозатор с калиброванной шкалой.
Осуществление и примеры реализации изобретения
Заявляемое техническое решение заключается в размещении топливного элемента, каталитического блока сжигания водорода, который связан с топливным элементом по линии подачи воздуха, рекуперационного теплообменника и системы подачи воздуха внутри термоизолированного бокса для уменьшения потерь тепла в окружающую среду при этом рекуперационный теплообменник позволяет использовать топливный элемент как дополнительный источник тепла и забор воздуха для работы топливного элемента осуществляется из внутреннего объема бокса. Оба эти решения сокращают потребность энергоустановки в водороде на разогрев и поддержание температуры. Каталитический блок сжигания водорода связан с топливным элементом по линии подачи воздуха, что позволяет использовать образующийся водяной пар для дополнительного увлажнения топливного элемента.
Заявляемая энергоустановка на топливных элементах по фигуре содержит топливный элемент 1 с твердополимерным электролитом, батарею таких топливных элементов, имеющих анод(ы) 1А, катод(ы) 1К, протонообменную мембрану(ы), которая(ые) является твердым полимерным электролитом. Заявляемая энергоустановка так же содержит каталитический блок сжигания водорода 2, баллон со сжатым воздухом 3 и устройство для внутреннего забора воздуха 4 расположенные внутри термоизолированного бокса 5 вместе с топливным элементом 1.
Энергоустановка так же включает емкость с водородом 6 и устройство для внешнего забора воздуха 7 (воздуходувка), расположеные снаружи термоизолированного бокса 5.
Внутри бокса 5 также расположен рекуперационный теплообменник 8 и замкнутый контур с водородом 9.
Электрическую схему энергоустановки 10 составляют блок питания 11, микроконтроллер 12, датчики температуры 13-17, датчик водорода 18, электромагнитные клапаны 19-28. Датчики температуры 13-14 размещены снаружи термоизолированного бокса на линиях отвода газов из теплообменника 8 и забора воздуха из окружающей среды, соответственно. Датчики температуры 15-17 расположены внутри бокса на линии подачи воздуха на катод топливного элемента 1К, внутри топливного элемента 1 и на линии подачи воздуха в каталитический блок сжигания водорода, соответственно. Датчик водорода 18 расположен на внутренней стенке термоизолированного бокса. Электромагнитные клапаны 19-28 расположены на патрубках и шлангах систем подачи водорода и воздуха внутри термоизолированного бокса 5. Размещение электромагнитных клапанов следующее: 19 - на линии сброса воздуха из теплообменника 8; 20, 21 - на линии подачи воздуха и водорода в каталитический блок 2, соответственно; 22 - на линии отвода воздуха из каталитического блока 2; 23 и 24 - на линии подачи водорода из внешнего источника 6 в замкнутый контур 9; 25 - на патрубке отвода воздуха из теплообменника 8; 26 и 27 - на линии подачи водорода из замкнутого контура 9 в каталитический блок 2; 28 - на линии сброса воздуха из топливного элемента 1 в теплообменник 8.
Энергоустановка оснащена градуированными термометрами 29-30 размещенными снаружи и внутри термоизолированного бокса на его стенках, соответственно.
Энергоустановка оснащена вентилями 31-33 и кранами-дозаторами с калиброванной шкалой расхода воздуха (или газов) 34-36.
Вход каталитического блока 2 патрубками соединен с баллоном воздуха 3 и внутренним источником воздуха (газодувкой) 4, источником водорода 6, а выход каталитического блока 2 соединен патрубками с катодом 1К топливного элемента, катодами батареи топливных элементов, 1.
Внешний баллон с водородом 6 связан с трубопроводом, образующим внутренний контур водорода 9. Баллон 6 связан с каталитическим блоком сжигания водорода 2 и анодом топливного элемента 1А, анодами батареи топливных элементов 1.
Каталитический блок (КБ) сжигания водорода используется в качестве источника тепла для нагрева энергоустановки до требуемой рабочей температуры при ручном запуске энергоустановки, а также в период ее работы и при временной остановке.
2
Каталитический блок сжигания водорода 2 выполнен в виде набора вертикальных послойно расположенных параллельно друг другу пластин, на которые нанесен катализатор. Пластины выполняются из пористого материала с удельной поверхностью не менее 150 м/г, например пористого титана, прессованного из порошка, гамма-окиси алюминия или окиси титана. На пластины наносится платина методом магнетронного распыления. Либо наносится платиновый катализатор на основе углерода (содержание углерода 60-80 мас. %) методом распыления в потоке воздуха. Катализатор получен методом химического осаждения платины на углерод. Помимо платины в качестве катализатора может выступать палладий.
Термоизолированный бокс 5 имеет вид напольного шкафа со свободным внутренним объемом 350-450 л., стоящий на колесах, с размерами 600×800×1388 мм.
2
Рекуперационный теплообменник 8 выполняется в виде набора вертикально расположенных параллельных гофрированных металлических (медь, нержавеющая сталь) пластин с общей поверхностью теплообмена не менее 1,5 м.
Объем замкнутого контура водорода 9 составляет не менее 150 л.
Электрическая схема автоматического управления энергоустановкой 10 содержит в качестве центрального элемента AVR - микроконтроллер 11 Atmega 328Р с разъемом Х2 внутрисхемного программирования. Микроконтроллер 11 через микросхему приемопередатчика D2 (МАХ485) подключен ко внутренней сетевой шине интерфейса связи MODBUS RTU, связывающей датчики (линия приема), электромагнитные клапаны (линия передачи) и блок питания 12.
Микроконтроллер 11 в свою очередь подсоединен к внешней лини связи MODBUS RTU через линии встроенного (аппаратного) последовательного интерфейса USART и от него к порту персонального компьютера.
Циркулирование водорода и воздуха происходит по шлангам и патрубкам, на которых расположены вентили 31-33, краны-дозаторы 34-36 и электромагнитные клапаны 19-28 для регулирования их расхода. С помощью электромагнитных клапанов 19-28, датчиков температуры 13-17 под управлением контроллера 11 осуществляется автоматическое регулирование расхода воздуха и водорода.
Энергоустановка работает при атмосферном давлении и отрицательных температурах окружающей среды.
Энергоустановка работает следующим образом. При холодном запуске энергоустановки водород из баллона 6 и воздух из баллона 3 с помощью вентилей 31, 32 и кранов-дозаторов 34, 35 подаются в каталитический блок 2. Подачу осуществляют по калиброванной шкале. Момент открытия вентилей 31-32 принимают за нулевой момент времени. Поток водорода задают по шкале в зависимости от внешней температуры окружающей среды, определяемой по термометру 29. Полученная нагретая смесь газов поступает на катод 1К, постепенно нагревая его и пространство вокруг него, а затем во внутреннее пространство термоизолированного бокса 5, повышая внутреннюю температуру, которая определяется с помощью термометра 30.
Все вышеописанные действия составляют ручной режим управления энергоустановкой.
При достижении температуры 5-15°С срабатывает микроконтроллер 11, который включает блок питания 12 и запускает электрическую схему 10, и установка переходит на работу в автоматическом режиме. В энергоустановке с помощью электрической схемы 10, связывающей датчики температуры 13-17 и давления водорода 18, микроконтроллер 11, электромагнитные и предохранительные клапаны 19-28 обеспечивается управление и контроль за работой батареи топливных элементов 1, в частности с твердым полимерным электролитом, в автоматическом режиме.
В это время на анод 1А ТЭ через вентиль 31 и кран-дозатор 36 подают сухой водород из баллона 6, на электродах возникает напряжение и топливный элемент 1 начинает работу. ТЭ 1 постоянно подключен к электрической схеме управления 10 энергоустановкой, но при отсутствии нагрузки, когда электрическая цепь разомкнута, электричество, производимое в ТЭ 1, не поступает в БП 12. После пуска электрической схемы управления энергоустановкой 10 баллон 3 через вентиль 32 перекрывают, а подачу воздуха производят с помощью газодувки 4 через клапан 20, который регулируется микроконтроллером 11.
Таким образом, обеспечивается регулирование подачи водорода в каталитический блок сжигания водорода 2 и в ТЭ 1 с помощью микроконтроллера 11, управляющего электромагнитными клапанами 19-28. Значения температуры с датчиков 13-17 поступают на вход микроконтроллера 11, срабатывает заложенная на компьютере программа, которая передает сигналы на электромагнитные клапаны 19-28. При этом сигналы от микроконтроллера 11, передаваемые через внутреннюю сетевую шину интерфейса связи на датчики (линия приема), электромагнитные клапаны (линия передачи) и блок питания 12 и их рабочие параметры отображаются на экране компьютера, что позволяет вести контроль за температурой и регулировать потоки рабочих газов.
После запуска ТЭ 1 (батареи ТЭ) энергоустановка производит электрический ток в непрерывном режиме с номинальной мощностью.
За счет тепла реакции беспламенного горения водорода в каталитическом блоке 2 температура 16 топливного элемента постепенно возрастает и достигает 35-55°С. Подачу нагретого в каталитическом блоке 2 воздуха на катод 1К продолжают, а температуру определяют датчиком 15. Водяной пар, образующийся в результате рекомбинации водорода в каталитическом блоке 2, подают на катод 1К топливного элемента 1. Влажность рабочих газов ТЭ при этом не определяют и не контролируют.
Выделяющегося в каталитическом блоке 2 тепла достаточно для поддержания достигнутой положительной внутренней температуры 17 термоизолированного бокса 5. Тепло отходящих газов с температурой 16 из катодного пространства ТЭ 1К подают в рекуперационный теплообменник 8 для первичного подогрева воздуха, подаваемого извне газодувкой 7, с температурой 14. Температура поступающего в ТБ 5 воздуха определяется датчиком температуры 14. Рабочая температура ТЭ контролируется датчиком температуры 16. Таким образом, ТЭ 1 осуществляет дополнительный нагрев термоизолированного бокса 5 с расположенными внутри него элементами. Выброс отходящего воздуха из ТЭ во внешнюю среду происходит через клапан 19. Температура отходящего потока регулируется датчиком температуры 13.
В случае кратковременной остановки (до 10 дней) энергоустановки водород, находящийся в замкнутом контуре 9, и воздух во внутреннем объеме термоизолированного бокса 5 постепенно подают в каталитический блок 2 с помощью клапанов 23, 24, 27, при этом тепло реакции используют для поддержания внутренней температуры 17 выше 5°С. Если температура 17 в термоизолированном боксе 5 падает ниже 0°С микроконтроллер выключает подачу энергии на блок питания 12 и энергоустановка выключается. В случае длительного хранения энергоустановки все ее системы консервируют.
Такое технологическое решение обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик энергоустановки, заключающееся в ее эффективном использовании в условиях низких температур окружающей среды, повышение КПД энергоустановки, снижение количества водорода, необходимого для систем подогрева элементов энергоустановки, обеспечивает ее автономный запуск в ручном режиме и функционирование в автоматическом режиме в периоды работы, временной остановки и хранения.
Использование возможности рекуперации тепла в установке приводит к снижению ее массогабаритных характеристик, обеспечивает ее компактность и мобильность.
Пример 1.
Рассматривается работа энергоустановки на основе батареи ТЭ мощностью 1 кВт, состоящей из 120 ячеек (4 блока по 30 ячеек). При токе 14 А на одну ячейку и напряжении батареи в 72 В (0,6 В/ячейку) потребление воздуха составит 60 л/мин, потребление водорода равно 11 л/мин.
Температура окружающей среды равна -30°С. Управление энергоустановкой заключается в ручном запуске, прогреве внутреннего объема бокса до 10°С и прогрев ТЭ до температуры 20°С, а затем в запуске и переходе на автоматизированное управление с помощью электрической схемы
Нагрев внутреннего объема энергоустановки до 10°С осуществляется циркулирующим потоков воздуха со скоростью 60 л/мин, предварительно нагретого в каталитическом блоке при сгорании водорода, доля которого в потоке составляет 0,5 об. %. В процессе окисления водорода в каталитическом блоке происходит реакция с выделением 52 Вт тепла и образованием 14 г/ч водяного пара. Это позволяет нагреть топливный элемент до 20°С, что обеспечивает мощность энергоустановки в 5-10 В, достаточной для пуска контроллера и перехода в автоматический режим управления. Время нагрева внутреннего объема энергоустановки составляет 6 минут.
Разогрев непосредственно топливного элемента до рабочей температуры 45°С также осуществляется за счет сжигания водорода в каталитическом блоке с выделением 52 Вт тепла.
После достижения рабочей температуры топливного элемента первичный подогрев воздуха, поступающего в термоизолированный бокс, осуществляется в рекуперационном теплообменнике за счет тепла отходящих газов топливного элемента, равного 46 Вт. Данная схема позволяет произвести рекуперацию тепла и снизить потребление водорода на разогрев энергоустановки в два раза.
Образовавшийся в результате реакции водяной пар в количестве 14 г/час обеспечивает рост относительной влажности выходящего потока воздуха на 10%.
Количество вступившего в реакцию водорода в минуту на аноде топливного элемента составляет 7% от общего количества водорода в контуре и восполняется из внешнего источника.
При этом необходимость в дополнительной системе увлажнения рабочих газов отсутствует, что позволяет снизить массогабаритные характеристики энергоустановки и затраты тепла на прогрев увлажнителя не менее, чем в 5 раз.
Пример 2.
То же, что в примере 1, но температура окружающей среды может находиться в диапазоне от 0 до -40°С. Параметры энергоустановки представлены в таблице 1 Температурные параметры работы энергоустановки и таблице 2 Энергетические параметры работы энергоустановки