СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ ВОДОРОДА
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING A CHEMICAL HYDROGEN SOURCE

Область техники
Изобретение относится к области водородной энергетики, в частности, к способу и системе управления химическим источником водорода для водородных топливных элементов и иных потребителей газообразного водорода.
Уровень техники
Химические источники водорода применяются в альтернативных источниках энергии с использованием водорода в качестве топлива. Такие источники водорода оснащаются реактором с системой управления, обеспечивающей требуемый режим работы реактора и его безопасность. Как правило, система управления содержит датчики давления и/или потока водорода, генерируемого реактором, и управляет подачей в реактор расходных материалов с целью поддержания требуемого давления и/или потока водорода.
В патенте RU2266157C1 описана механическая система управления потоком водорода, получаемого в результате гидролиза. В состав гидролизного генератора входят два накопителя водорода, снабженные датчиками давления, при этом каждый накопитель пневматически связан через входной клапан с реактором, а через выходной клапан – с магистралью выдачи водорода. В этой системе в качестве параметра регулировки потока водорода используется только значение давления в накопителях водорода. Кроме того, не ставится задача получения стабильного потока водорода на выходе, а предполагается, что водород будет выдаваться импульсами. Недостатком данной системы так же является сложная система охлаждения. В патенте утверждается, что данный генератор не требует внешнего охлаждения, но его внутренняя система охлаждения усложняет конструкцию (требуются два накопителя водорода, частично заполненные водой и система теплообмена). При этом не предполагается использование датчиков температуры, а перегрев определяется косвенным образом – по возрастанию давления в одном из накопителей водорода.
В патенте RU2297386C1 описан реактор, в котором находится жидкий реагент (раствор натриевой щелочи) и решетка-колосник с гранулами твердого реагента. Действие системы управления сводится к регулировке подачи теплоносителя через теплообменник в зависимости от температуры внутри реактора. Иными словами, в данной системе управления не предусмотрено управление выходным потоком продукта реакции (водорода) и какое-либо дозирование веществ, вступающих в реакцию.
В патенте US5702491 для управления выходным потоком генератора водорода использована обратная связь по давлению. В выходной магистрали, по которой отводится водород, установлено реле давления, которое отключает воду либо возобновляет ее подачу. Недостаток такого решения заключается в отсутствии регулировки скорости подачи воды, а управление осуществляется путем прекращения или возобновления подачи воды с постоянной скоростью. Такое управление вызывает скачкообразное изменение потока водорода на выходе генератора и для сглаживания скачков используется ресивер, что ухудшает массогабаритные характеристики системы и усложняет ее конструкцию.
В патенте US7951349B2 описан генератор водорода, в котором поток водорода регулируется скоростью подачи воды в зону реакции, при этом отсутствует обратная связь между потоком водорода на выходе и количеством подаваемой воды, поскольку предполагается, что поток водорода пропорционален количеству подаваемой воды. В случае реакции гидрида магния с водой в реакторе может образовываться либо оксид магния, либо гидроксид магния. При этом поток водорода будет отличаться в два раза при одинаковой скорости подачи воды. Возможность альтернативного или параллельного протекания этих реакций с изменением пропорции их интенсивности во времени в данном патенте не рассматривается. Поэтому предположение, что поток водорода всегда пропорционален скорости подачи воды, не позволяет на практике получить стабильный поток водорода на выходе. Кроме того, недостатком данного технического решения является то, что гидрид металла не находится в реакционной зоне, а подается туда вместе с водой, что усложняет конструкцию реактора и его системы управления.
В патентной заявке US2016023897A1 описан генератор водорода, в котором реакция может протекать с образованием либо оксида, либо гидроксида двухвалентного металла (в частности, магния), при этом обе эти реакции объединены в одну и записаны в общем виде. Реакция образования водорода происходит в цилиндрической емкости, имеющей вход для подачи воды с помощью насоса и выход для отвода водорода. К линии отвода водорода подключены датчик давления и стравливающий клапан, настроенный на некоторое избыточное давление. Контроллер дозированно управляет подачей воды с помощью насоса в зависимости от давления в линии отвода водорода либо в зависимости от парциального давления паров воды в реакционной емкости, а также от электрического тока, вырабатываемого топливным элементом и температуры в реакционной емкости. Для данного решения описаны только входные и выходные данные, но не описан алгоритм управления. Кроме того, в заявке не учтено, что при повышении температуры более 350°C начинается эндотермическая реакция разложения гидрида магния и экзотермическая реакция взаимодействия магния с водой. Кроме того, в заявке предлагается два варианта предварительно нагрева – нагрев непосредственно реакционной емкости и нагрев подаваемой воды до ее поступления в реакционную емкость. Второй способ представлен, как более экономичный, однако не указано, в каких случаях он может быть применен, а в каких случаях следует применять первый, менее экономичный способ.
Таким образом, в уровне техники не решена задача реализации такого способа и такой системы управления химическим источником водорода для водородных топливных элементов или иных потребителей газообразного водорода, которые обеспечили бы точное и надежное управление потоком и давлением водорода, получаемого в реакторе из металлогидридного материала и, соответственно, силой электрического тока, генерируемого топливным элементом, питаемым этим водородом.
Раскрытие изобретения
Указанная выше задача решена путем разработки способа и системы управления химическим источником водорода согласно изобретению.
Способ управления химическим источником водорода включает в себя следующие действия:
- прогревают зону образования водорода до заранее заданной начальной температуры;
- определяют начальное значение расхода воды;
- подают воду в зону образования водорода в соответствии с начальным значением расхода воды;
- измеряют параметр, характеризующий образование водорода;
- если значение этого параметра выше первого заранее заданного значения, уменьшают подачу воды в зону образования водорода, если значение этого параметра ниже второго заранее заданного значения, увеличивают подачу воды в зону образования водорода.
Этот способ может также включать в себя следующие действия:
- измеряют температуру в одной или нескольких точках зоны образования водорода;
- если эта температура превышает заранее заданное значение, выполняют одно или несколько из следующих действий: активируют систему охлаждения зоны образования водорода, уменьшают подачу воды в зону образования водорода, прекращают подачу воды в зону образования водорода.
При этом параметр, характеризующий образование водорода, может представлять собой один следующих параметров: величина потока в линии выдачи водорода, давление в линии выдачи водорода, сила тока, вырабатываемого топливным элементом, который подключен к линии выдачи водорода и является потребителем водорода.
Система управления химическим источником водорода содержит: емкость для воды, насос для воды, водородный картридж, нагревательный элемент, один или несколько датчиков температуры, систему охлаждения, датчик параметра, характеризующего образование водорода, и блок управления.
Водородный картридж содержит металлогидридное топливо, которое, в частности, может содержать гидрид магния.
Датчик параметра, характеризующего образование водорода, может представлять собой один следующих датчиков: датчик потока, датчик давления, датчик силы тока, вырабатываемого топливным элементом, который является потребителем водорода.
Блок управления системы реализует описанный выше способ управления химическим источником водорода.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема системы управления химическим источником водорода согласно изобретению.
На фиг. 2 представлена схема алгоритма управления химическим источником водорода согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлена схема системы управления химическим источником водорода согласно изобретению. Гидрид магния находится в водородном картридже 3, который имеет вход для подачи воды в зону реакции, выход для отвода водорода из зоны реакции, а также одну или несколько термопар 5 или температурных датчиков иного типа, измеряющих температуру внутри водородного картриджа. Предварительный нагрев зоны реакции выполняется с помощью нагревателя 4. Вода в зону реакции дозированно подается насосом 2 из емкости 1. Данные с датчика 7 давления, датчика 9 потока водорода и датчика 10 силы тока топливного элемента поступают в блок 11 управления, который в зависимости от их значений определяет дозировку подаваемой воды и соответствующим образом управляет насосом 2.
Механический предохранительный клапан 8 настроен на максимальное рабочее давление потребителя водорода (в частности, топливного элемента).
Таким образом, входными параметрами для регулировки подачи воды являются: (1) величина выходного потока водорода, величина давления в линии отвода водорода, а также сила тока, вырабатываемого топливным элементом (в случае, если потребителем водорода является топливный элемент), и (2) температура в одной точке водородного картриджа, усредненная температура в нескольких точках водородного картриджа или максимальная температура из всех измеренных значений температуры во всех точках водородного картриджа (режим регулирования выбирается в зависимости от температуры). Электрический ток, вырабатываемый топливным элементом, пропорционален потоку водорода (при условии постоянного давления в линии отвода водорода и при условии, что не срабатывает предохранительный клапан 8).
Установившаяся рабочая температура генерации водорода составляет порядка 300°C. Таким образом, реакция протекает в кинетической области. Как упоминалось выше, при этом параллельно идут две реакции:
Они имеют разную стехиометрию, то есть для образования одного моля водорода во второй реакции требуется в 2 раза больше воды, чем в первой. Пропорция интенсивности этих реакций зависит от формы водородного картриджа, плотности засыпки гидрида магния в водородном картридже, температуры в активной зоне и времени протекания реакции.
При подаче воды в сухой картридж, нагретый до температуры 90–170°С (в зависимости от гранулометрических характеристик гидрида магния), до формирования фронта химической реакции преимущественно образуется гидроксид магния, затем за счет выделения тепла в активной зоне температура растет и равновесие смещается в сторону образования оксида магния. Диапазон температур 170–370°С соответствует основному рабочему режиму работы химического источника водорода, при этом температура в целом растет с увеличением потока водорода на выходе из картриджа. Расходование металлогидридного топлива завершается при температуре 370–600°С, при этом в конце процесса в активной зоне присутствует остаток металлического магния, который при взаимодействии с водяным паром образует гидроксид магния, а также происходит повышенное выделение тепла, за счет чего температура дополнительно увеличивается. Конечная температура также зависит от начальной степени гидрирования металлогидридного топлива.
Интеллектуальный алгоритм управления регулирует подачу воды в зависимости от той пропорции интенсивности, с которой идут эти две реакции. Пропорция определяется по отношению величины выходного потока водорода к расходу воды, при этом также учитывается температура в определенных точках картриджа, давление в линии отвода водорода и сила электрического тока, вырабатываемого топливным элементом.
Кроме того, при превышении температуры засыпки свыше 350°C идет разложение гидрида магния (десорбция)
и магний взаимодействует с водяным паром с выделением водорода одним из двух способов:
Соответственно, при повышении температуры в зоне реакции алгоритм учитывает стехиометрию реакций разложения магния и взаимодействия магния с водой в дополнение к двум вышеупомянутым реакциям взаимодействия гидрида магния с водой.
Система управления так же обеспечивает терморегуляцию системы. При запуске системы включается предварительный нагрев водородного картриджа 3 нагревательным элементом 4. Нагрев автоматически прекращается, когда в водородном картридже по данным термопары 5 достигнута температура активной зоны, достаточная для начала реакции взаимодействия гидрида магния с водой. Эта температура зависит от качества засыпки гидрида магния, как правило, она немногим выше 100°C. После прекращения нагрева насос 2 начинает подавать воду в водородный картридж 3. В случае повышения температуры в ходе реакции выше заранее заданного допустимого значения система управления включает систему 6 охлаждения и/или, если позволяет режим работы потребителя, уменьшает или прекращает подачу воды в водородный картридж до тех пор, пока температура внутри картриджа не снизится до заранее заданного значения.
В зависимости от назначения химического источника водорода и условий его эксплуатации, система управления может применять указанные выше способы управления температурой активной зоны в водородном картридже в различных сочетаниях. На выбор того или иного способа управления температурой может влиять значение температуры, полученной одной или несколькими термопарами. Например, если температура во всех точках измерения не превышает некоторого заранее заданного значения, регулирование температуры может осуществляться на основе усредненной температуры активной зоны. Если температура в одной или в нескольких точках измерения превышает заранее заданное значение, регулирование температуры может осуществляться на основе максимального измеренного значения температуры активной зоны.
На фиг. 2 представлена схема алгоритма управления химическим источником водорода согласно изобретению. После предварительного прогрева активной зоны картриджа насос начинает подавать воду со средней ожидаемой скоростью подачи воды для среднего ожидаемого потока водорода (л/мин). Средняя ожидаемая скорость подачи воды (она же начальная скорость подачи воды) рассчитывается из условия, что указанные выше реакции высвобождения водорода с образованием оксида и гидроксида магния идут в пропорции 1:1. Устанавливаются границы отклонения значений потока водорода, как правило, не превышающие ±15%. Например, если требуется получить поток водорода 1000 л/мин, то установленные границы значений этого потока составляют 850–1150 л/мин и поток в этих границах будет считаться стабильным.
Если поток находится ниже заданной нижней границы, расход воды увеличивается на определенную величину, а если выше, то расход воды уменьшается. Если по истечении 10–30 секунд (характеристическое время, зависящее от инерционности потребителя водорода) поток не вернулся в установленные границы, то скорость подачи воды снова увеличивается или уменьшается на определенную величину, реализуя ступенчатое изменение расхода воды. Разумеется, что величина ступени регулирования расхода воды может быть различной и может зависеть от назначения химического источника водорода и условий его эксплуатации. В некоторых вариантах осуществления изобретения регулирование расхода воды может быть практически бесступенчатым, т.е. плавным. Если величина потока находится в заданных границах, скорость подачи воды остается постоянной до тех пор, пока величина потока не выйдет за заданные границы.
Таким образом в системе согласно изобретению реализовано управление потоком водорода с использованием обратной связи по потоку. Управление потоком через обратную связь автоматически учитывает стехиометрию реакции, то есть автоматически учитывает то, в какой пропорции идут указанные выше реакции, и то, какой расход воды необходим для получения требуемого потока водорода.
Потоком водорода можно управлять, реализовав подобным образом обратную связь по давлению в линии выдачи водорода (в случае, если аэродинамическое сопротивление потребителя водорода создает давление в магистрали, оно пропорционально потоку водорода).
Кроме того, потоком водорода можно управлять, реализовав подобным образом обратную связь по току, вырабатываемому топливным элементом (в случае, если потребитель водорода представляет собой топливный элемент, сила вырабатываемого им электрического тока пропорциональна потоку водорода).
Авторы изобретения экспериментальным путем определили, что система работоспособна в температурном диапазоне 90–600°С при использовании гидрида магния в качестве топлива при рабочем давлении в линии отвода водорода 0,3–0,6 бар. Разумеется, что при использовании другого топлива эти значения температуры и давления могут быть иными.
Алгоритмы управления тепловым режимом водородного картриджа и расходом воды могут быть реализованы в системе управления порознь или совместно. В некоторых вариантах осуществления изобретения эти алгоритмы могут быть реализованы различными зависимыми или независимыми системами управления.
Блок управления может быть реализован в виде контроллера, реализующего алгоритм управления, может содержать устройство записи режима работы системы. Изобретение может быть использовано для реализации системы автоматического управления в генераторах водорода в составе электрохимических источников питания.
Изобретение может быть применено в беспилотных летательных аппаратах, в портативных источниках электрической энергии, в портативных холодильных устройствах и в других изделиях, основанных на применении водородного топлива. Система управления согласно изобретению может действовать автономно или может являться частью общей системы управления такого изделия.
Список условных обозначений
1 – емкость для воды
2 – насос для воды
3 – водородный картридж
4 – нагревательный элемент
5 – одна или несколько термопар
6 – система охлаждения
7 – датчик давления
8 – предохранительный клапан
9 – датчик потока водорода
10 – датчик силы тока, вырабатываемого топливным элементом
11 – блок управления.