ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, и может найти применение при создании автономных источников питания в широком диапазоне мощностей.
Известна энергоустановка на основе топливных элементов, содержащая батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, электромагнитный клапан и систему управления (Патент США 6979504).
В известной энергоустановке не обеспечивается оптимальное управление режимами работы батареи топливных элементов, так как время и продолжительность включения режима продувки водородной полости не зависит от концентрации продуктов реакции, образующихся вследствие не идеальной чистоты водорода. Кроме того, количество воздуха, подаваемого в воздушную полость батареи топливных элементов, не зависит от мощности нагрузки, что приводит к ухудшению вольтамперных характеристик. Не обеспечивается также высокочастотный импульсный режим энергоустановки, при котором за счет высокочастотного импульсного отбора мощности в результате неравновесных термодинамических процессов улучшаются вольтамперные и другие эксплуатационные характеристики топливных элементов.
Технический результат заключается в улучшении вольтамперных характеристик энергоустановки.
1
2
2
1
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что энергоустановка содержит батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, регулирующий клапан и систему управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи топливных элементов и преобразователя напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана, выход генератора водорода соединен с входом водородной полости батареи топливных элементов, к выходу водородной полости подключен регулирующий клапан, согласно изобретению регулирующий клапан выполнен с двумя уровнями Р и Р, давления срабатывания, причем Р>Р, первому уровню Р соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню Р - режим аварийного стравливания водорода при
неисправностях генератора водорода или при переходных процессах в рабочем режиме, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления регулирующим клапаном, выход которого образует управляющий выход системы управления, а вход - измерительный вход системы управления.
На входе в водородную полость батареи топливных элементов может быть установлен вентилятор, входы питания которого соединены с выходами системы управления режимами работы энергоустановки, причем система управления содержит блок управления вентилятором, выход которого образует соответствующий выход системы управления, а вход измерительный вход системы управления.
Преобразователь напряжения может быть снабжен входом включения/выключения, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления включением и выключением преобразователя напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг.1 приведена схема энергоустановки на основе топливных элементов.
1
2
2
1
1
Энергоустановка на основе топливных элементов содержит батарею 1 топливных элементов, генератор 2 водорода, преобразователь 3 напряжения, регулирующий клапан 4 и систему 5 управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи 1 топливных элементов и преобразователя 3 напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана 4, выход генератора 2 водорода соединен с входом водородной полости батареи 1 топливных элементов, к выходу водородной полости подключен регулирующий клапан 4, имеющий два уровня Р и Р давления срабатывания, причем Р>Р. Первому уровню Р соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню - режим аварийного стравливания водорода при неисправностях генератора 2 водорода или при переходных процессах в режиме работы.
Система 5 управления режимами работы энергоустановки содержит блок 6 управления регулирующим клапаном 4, входы которого образуют вход измерения напряжения системы 5 управления режимами работы, который соединен с выходом преобразователя напряжения.
На входе в воздушную полость батареи 1 топливных элементов может быть установлен вентилятор 7, входы питания которого соединены с выходами системы 5 управления режимами работы энергоустановки, которая содержит блок 8 управления
вентилятором. Выход блока управления вентилятором образует соответствующий выход системы управления режимами работы энергоустановки, а вход - измерительный вход системы управления, соединенный с выходными выводами батареи топливных элементов.
Преобразователь 3 напряжения снабжен входом включения/выключения, а система 5 управления режимами работы энергоустановки содержит блок 9 управления включением и выключением преобразователя 3 напряжения, выход которого образует соответствующий выход системы управления, а вход соединен со входами измерения системы управления режимами работы энергоустановки, соединенный с выходом преобразователя напряжения.
Энергоустановка работает следующим образом.
В процессе работы энергоустановки на основе топливных элементов вследствие не идеальной чистоты водорода образуются продукты реакции, которые приводят к ухудшению вольтамперных характеристик. Вследствие повышенной концентрации вредных продуктов реакции уменьшается напряжение на зажимах батареи топливных элементов. При снижении напряжения на входе преобразователя напряжения начинается уменьшение напряжения на его выходе.
2
1
1
1
2
2
2
При снижении напряжения на выходе преобразователя напряжения ниже заданного уровня U система управления формирует на переключение регулирующего клапана в режим продувки с давлением срабатывания Р, в течение которого вредные продукты реакции удаляются из водородной полости. Напряжение батареи топливных элементов увеличивается и при достижении заданного значения U (U>U), система управления 5 формирует сигнал на прекращение режима продувки, регулирующий клапан 4 переключается в положение «Работа» с давлением срабатывания Р. В рабочем режиме из-за неисправности генератора водорода или при переходных процессах может повыситься давление в водородной полости. При достижении уровня давления Р происходит стравливание водорода.
1
Если режим продувки длится больше заданного времени, то блок 9 формирует сигнал на отключение преобразователя 3 напряжения, то есть отключается нагрузка. Напряжение на выходе батареи топливных элементов увеличивается, но не достигает уровня U и преобразователь 3 напряжения снова включается. Возникает звонковый режим включения и отключения преобразователя 3 напряжения с заданной частотой, при котором обеспечивается импульсный отбор мощности от батареи топливных элементов.
В результате неравновесных термодинамических процессов улучшаются вольтамперные характеристики топливных элементов.
Измерительные входы системы управления соединены с выводами батареи 1 топливных элементов. Чем больше нагрузка источника питания, тем больше ток, отдаваемый батареей 1 топливных элементов и ниже напряжение на ее выводах. Система управления 5 посредством блока 8 управления вентилятором 7 обеспечивает такой расход воздуха, при котором обеспечивается оптимальный режим работы топливных элементов. При этом расход воздуха увеличивается по заданному закону при уменьшении напряжения на батареи 1 топливных элементов, что соответствует увеличению нагрузки.
Регулирующий клапан 4 выполнен по принципу поляризованного реле и имеет два положения. Каждому положению соответствует свой уровень давления, при которых клапан начинает стравливать водород. Причем низкий уровень давления соответствует рабочему давлению в водородной полости, при котором обеспечивается режим «Продувка». Более высокому уровню давления соответствует режим аварийного повышения давления. В режиме «Работа» клапан 4 закрыт, а открывается только при аварийном увеличении давления при неисправности генератора 2 водорода или при переходных процессах.
Так же, как в поляризованном реле, переключение клапана 4 из одного положения в другое обеспечивается подачей импульса напряжения малой длительности на обмотку управления клапана 4. Таким образом, экономится энергия необходимая для управления клапаном 4, что очень важно при использовании энергоустановки в портативной аппаратуре (например, в зарядном устройстве мобильного телефона).
В мощных энергоустановках регулирующий клапан 4 может быть выполнен по принципу обычного реле. Когда нет напряжения на обмотке управления, он закрыт. Когда необходим режим «Продувка», то на обмотку управления клапаном подается напряжение в течение длительности этого режима.
Регулирующий клапан 4 может содержать две пружины, сжимающие с различными усилиями в разных режимах диафрагму и седло клапана. Короткий импульс напряжения, подаваемый в обмотку управления, обеспечивает действие одной или другой пружины.
Регулирующий клапан 4 может содержать пьезоэлектрический исполнительный механизм. При этом клапан запирается при подаче на выводы пьезоэлектрического исполнительного механизма короткого импульса напряжения одной полярности и открывается при подаче короткого импульса напряжения другой полярности. Пьезоэлектрический исполнительный механизм, имеющий эффект «памяти», запоминает
и сохраняет необходимое усилие после снятия напряжения. Диафрагма и седло клапана могут быть выполнены из силиконовых пластинок. Для портативной аппаратуры такой принцип действия и конструкция обеспечивают возможность изготовления микроклапана химически стабильного в водородной среде и отвечающего жестким требованиям герметичности при минимальных затратах энергии на его управление.
В предлагаемой полезной модели система управления обнаруживает ухудшение вольтамперных характеристик вследствие повышенной концентрации вредных продуктов реакции и/или избыточной или недостаточной подачи воздуха и обеспечивает оптимальные время и продолжительность режима продувки и требуемый расход воздуха. Улучшение вольтамперных характеристик обеспечивается также реализацией звонкового режима преобразователя напряжения, при котором за счет высокочастотного импульсного отбора мощности в результате неравновесных термодинамических процессов улучшаются вольтамперные характеристики топливных элементов.