PL238623B1 - Układ do odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu ogniw paliwowych typu PEMFC - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu wodorowo-tlenowych ogniw paliwowych z elektrolitem stałym tj. membraną polimerową noszących nazwę ogniw PEMFC (z ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell), poprzez odzyskiwanie energii zwarć, stosowanych dla celów technologicznych, w trakcie pracy ogniw paliwowych typu PEMFC, dla utrzymania lub przywrócenia odpowiedniej wilgotności membran polimerowych.

Stosy ogniw paliwowych typu PEMFC znajdują zastosowania praktyczne w generatorach stacjonarnych o mocy do kilkuset kilowatów, pomocniczych urządzeniach zasilających domowych generatorach elektryczności i ciepła, a także w zasilaczach urządzeń przenośnych. Stosowane są również, jako efektywne układy zasilania elektrycznego sprzętu wojskowego, bezzałogowych aparatów latających, a także jako źródła zasilania samochodów elektrycznych oraz okrętów i samolotów. Ich zaletami w stosunku do silników spalinowych w tych zastosowaniach jest to, że ogniwa paliwowe pracują cicho, nie emitują spalin, a przez to dymu i zapachów.

Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, w których zachodzi bezpośrednia konwersja energii chemicznej paliwa na energię elektryczną i ciepło. Cechą charakterystyczną ogniw paliwowych jest to, że substancje elektroaktywne: utleniacz i paliwo dostarczane są do niego z zewnątrz, zaś produkty reakcji odprowadzane są poza ogniwo. Podstawowym paliwem dla ogniw paliwowych jest wodór. W ostatnich latach najszybszy rozwój technologiczny odnotowywany jest dla ogniw typu PEMFC o temperaturze pracy 30-70°C.

Pojedyncze ogniwo paliwowe typu PEMFC zbudowane jest z elektrolitu stałego oraz elektrod. Elektrolit stały stanowi gazoszczelna membrana protonowymienna. Jest ona zwykle wykonywana ze spolimeryzowanego fluorkowanego kwasu sulfonowego. Elektrody mają porowatą strukturę warstwową: są to zazwyczaj warstwy włóknin węglowych lub porowatego, grafitowanego papieru, teflonowane na zewnątrz i pokryte katalizatorem na styku elektroda-membrana. Katalizatorem jest najczęściej zdyspergowana platyna. Zespół anoda-elektrolit-katoda, sprasowany w podwyższonej temperaturze, na grubość ok. 0,5-1 mm określany jest skrótem MEA (z ang. Membrane Electrode Assembly). W ogniwie paliwowym PEMFC, elektrody wraz z warstwą porowatych materiałów węglowych (nazywane elektrodami dyfuzyjnymi), znajdują się w kontakcie elektrycznym i gazowym z metalicznymi kolektorami prądu, których budowa zapewnia równomierne dostarczanie gazów zasilających do elektrod dyfuzyjnych, odprowadzenie produktu reakcji - wody oraz odprowadzenie prądu do obciążenia zewnętrznego.

W celu uzyskania większej mocy pojedyncze ogniwa paliwowe o średnim napięciu pracy pod obciążeniem 0,5-0,8 V łączy się w zespół ogniw nazywany stosem ogniw paliwowych. Stos ogniw paliwowych stanowi zwarty układ gazowo-elektryczny, w którym łącznikiem między poszczególnymi ogniwami jest kolektor prądu w formie płytki bipolarnej. Oprócz połączenia elektrycznego, zadaniem płytek bipolarnych jest równomierne rozprowadzenie paliwa i utleniacza po całej powierzchni każdej z elektrod. Stosy ogniw paliwowych mogą być złożone z kilku, kilkudziesięciu czy nawet kilkuset pojedynczych ogniw PEMFC. Stosy ogniw paliwowych PEMFC stanowią główny komponent generatorów energii elektrycznej, pracujących w szerokim zakresie mocy elektrycznej wynoszącym od kilku watów do kilkuset kW. Ponadto stosy ogniw paliwowych typu PEMFC są wyposażone w szereg dodatkowych urządzeń. Do pomocniczych urządzeń generatorów z ogniwami paliwowymi, które usprawniają i zabezpieczają ich właściwe działanie należą: układy monitorujące nawilżanie i dozowanie gazowych reagentów, układy chłodzenia i kontroli temperatury, czujniki wycieku wodoru, akcesoria startowe, czy przemiennik (inwerter) prądu stałego na prąd zmienny. Układy urządzeń pomocniczych, niezbędnych w pracy generatora ogniw paliwowych, określanym akronimem BOP (z ang. Balance-of-plant) wymagają zasilania elektrycznego, które najczęściej realizowane jest z energii wytworzonej przez stos ogniw paliwowych lub poprzez dołączenie akumulatora elektrochemicznego jako dodatkowego źródła energii o znacznie mniejszej mocy elektrycznej niż stos ogniw paliwowych. W tym przypadku dodatkowe źródło energii, odpowiedzialne jest wyłącznie za zasilanie urządzeń pomocniczych. Zapotrzebowanie energetyczne akcesoriów pomocniczych należy do tzw. potrzeb własnych generatora energii z ogniwami paliwowymi.

Generatory oparte na technologii ogniw paliwowych typu PEMFC o mocy 100 W - 5000 W, w trakcie pracy produkują również ciepło odpadowe i aby nie przekroczyć maksymalnej temperatury 75°C są chłodzone powietrzem lub za pomocą ciekłego medium. Przykładem rozwiązań komercyjnych generatorów energii elektrycznej ogniw paliwowych, chłodzonych za pomocą powietrza są np. stosy ogniw paliwowych PEMFC serii H100-H5000 oferowane przez firmę Horizon, Singapur.

PL 238 623 B1

W niskotemperaturowych ogniwach paliwowych typu PEMFC z membranami polimerowymi wykonanymi z Nafionu, bardzo ważną kwestią, w trakcie ich pracy, jest utrzymanie odpowiedniego poziomu nawilżenia elektrolitu polimerowego. Od zawartości wody w elektrolicie nafionowym zależy jego wewnętrzna oporność elektryczna, co ma bezpośredni wpływ na wartości prądów i mocy czerpanych ze stosu ogniw paliwowych. Nawilżanie membrany polimerowej jest uzależnione od transportu i odprowadzania wody z miejsca reakcji elektrochemicznej na katodzie, gdzie w wyniku reakcji elektrochemicznej powstaje woda na styku trzech granic elektrolit-katalizator Pt-powietrze.

Proces odpowiedniego nawilżania membran PEMFC jest szczególnie istotny w przypadku konstrukcji stosu ogniw paliwowych chłodzonego powietrzem. W takich rozwiązaniach konstrukcyjnych bardzo często może dochodzić do powstania gradientu temperatur ΔΤ wynoszącego nawet powyżej 10°C. Zjawisko to powoduje, że w stosie ogniw paliwowych mamy obszary, w których część membran polimerowych wykonanych z Nafionu pracuje w obszarze o niższej temperaturze, a część w obszarze o temperaturze wyższej. W tych warunkach bardzo często może dochodzić do utraty wilgotności, czego konsekwencją jest wzrost oporności elektrycznej poszczególnych ogniw typu PEMFC w stosie ogniw paliwowych. Czynniki te prowadzą do nierównomiernej pracy stosu ogniw paliwowych, co powoduje generowanie mocy elektrycznej poniżej deklarowanej a więc niekorzystne zjawisko deficytu mocy elektrycznej źródła energii.

Nawilżanie membrany jest szczególnie ważne dla stosu ogniw paliwowych typu PEMFC chłodzonych powietrzem w zastosowaniach lotniczych, gdzie wraz ze wzrostem wysokości pracy zmienia się ciśnienie (spada temperatura punktu rosy), co ma wpływ na spadek stopnia nawilżenia membrany polimerowej PEMFC. Zjawisko równomiernego nawilżenia membran PEMFC jest również bardzo ważne w zastosowaniach w napędach elektrycznych (motoryzacja lub inne pojazdy), gdzie wymagane jest ciągłe dostarczanie, założonego przez producenta, poziomu mocy elektrycznej, a w przypadkach wymagających zwiększenia na nią zapotrzebowania (start, zwiększenie prędkości samochodu), generator energii zawierający stos ogniw paliwowych powinien mieć możliwości chwilowej pracy powyżej mocy elektrycznej nominalnej.

Nawilżanie membrany w ogniwie paliwowym jest realizowane praktycznie w dwojaki sposób: z zewnątrz poprzez nawilżanie strumieni gazów dostarczanych do stosu ogniw paliwowych typu PEMFC lub poprzez samonawilżanie polegające na wytworzeniu wody na drodze reakcji elektrochemicznej wewnątrz stosu ogniw paliwowych w wyniku krótkotrwałych zwarć elektrycznych stosu.

Znane są rozwiązania komercyjne w zakresie nawilżania gazów przez specjalnie produkowane odrębne urządzenia (nawilżacze) o zróżnicowanych gabarytach np. produkowane przez firmę Perma Pure LLC. Niektóre z oferowanych produktów są dedykowane głównie do nawilżania gazów dostarczanych do ogniw paliwowych typu PEMFC. Ich działanie opiera się na procesach ciągłej wymiany wilgoci i ciepła pomiędzy fazami woda-gaz lub gaz-gaz. Nawilżacze typu woda-gaz posiadają wodę w stanie ciekłym po jednej stronie membrany i suchy gaz po drugiej. Takie rozwiązanie zapewnia wysoki stopień nawilżenia jednak odparowywanie wody z powierzchni membrany nafionowej prowadzi do obniżenia temperatury pracy urządzenia.

Konsekwencją tego faktu jest obniżenie efektywności nawilżania. Aby ograniczyć to niekorzystne zjawisko konieczne jest podgrzewanie wody przed wprowadzeniem do nawilżacza, co powoduje dodatkowe koszty i wprowadza kolejne elementy do konstrukcji całego urządzenia. Bezpośrednim skutkiem jest zwiększenie masy i gabarytów systemu nawilżania. Takie kompleksowe urządzenia nawilżające są dostępne na rynku i oferowane przez producentów takich jak: Freudenberg SE, RASIRC Inc., PermSelect, dPoint Technologies Inc. i in.

Rozwiązania w zakresie nowych konstrukcji nawilżaczy gazów przeznaczonych do pracy z stosami ogniw paliwowych są opisywane w literaturze patentowej.

Przykładowo znany jest ze zgłoszenia PL412339 A1 nawilżacz gazów, zasilających niskotemperaturowe ogniwa paliwowe, który zawiera hermetyczną obudowę z króćcami wlotu i wylotu gazu oraz gazoprzepuszczalne wypełnienie stanowiące źródło wilgoci, w postaci kubeczkowego hydrożelowego złoża, które na odcinku wlot-wylot przesłaniane jest wieloma sąsiadującymi ze sobą przegrodami, wyposażonymi przemiennie w przeloty przyściankowe i środkowe, wymuszające kierunek przepływu gazu o charakterze przestrzennie meandrycznym.

W celu ograniczenia spadku wilgotności membrany polimerowej PEMFC w znanych na rynku rozwiązaniach, np. stosy ogniw paliwowych PEM firmy Horizon Singapur opisane w Internecie na stronie: https://www.horizonfuelcell.com/h-series-stacks, stosuje się specjalne układy do samona4

PL 238 623 B1 wilżania stosu w postaci specjalnego układu SCU (z ang. Short Circuit Unit). Układ SCU realizuje, w trakcie pracy ogniwa paliwowego, zaplanowane i kontrolowane krótkotrwałe zwarcia elektryczne stosu ogniw paliwowych, które powodują wydzielenie się wilgoci na katodzie ogniwa paliwowego, w wyniku reakcji elektrochemicznej w trakcie przepływu prądu zwarciowego przez stos ogniw paliwowych. Efektem działania układu SCU jest utrzymanie odpowiedniego stopnia nawilżenia membran PEMFC (ograniczenie wzrostu rezystancji wewnętrznej ogniwa), a tym samym zapobieganie spadkowi wydajności i w efekcie końcowym poprawa sprawności pracy stosu ogniw paliwowych PEMFC w trakcie pracy pod obciążeniem elektrycznym.

Niedogodnością obecnie stosowanych układów SCU jest to, że zwarcie realizowane za pomocą układów energoelektronicznych z elementami wykonawczymi, takimi jak tranzystory IGBT lub MOSFET i przewodami elektrycznymi, powoduje przepływ prądu zwarciowego, w trakcie którego wydziela się ciepło na tych elementach, zgodnie z prawem Joule’a. Energia zwarcia jest rozpraszana (tracona) w postaci ciepła i dodatkowo wymagane jest chłodzenie tych elementów.

Nadmierne wydzielanie się ciepła w przestrzeni stosu ogniw paliwowych PEMFC zbudowanego z metalicznych płyt bipolarnych w przeciwieństwie do zwykle stosowanych grafitowych, może prowadzić do pojawienia się kolejnych niedogodności podczas pracy urządzenia. Metaliczne płyty bipolarne mają mniejszą pojemność cieplną niż grafitowe i stos zbudowany z metalicznych płyt bipolarnych jest narażony na lokalne gradienty temperatury oraz wynikające z nich naprężenia mechaniczne. Efektem tych zjawisk jest uszkodzenie membrany oraz utrata szczelności, w ciągu długotrwałej eksploatacji, a w konsekwencji skrócenie okresu życia urządzenia. Stosy ogniw paliwowych typu PEMFC z metalicznymi płytami bipolarnymi, ze względu na możliwość zmniejszenia gabarytu stosu ogniw paliwowych oraz jego masy, w stosunku do ich odpowiedników z płytami grafitowymi, nadal stanowią preferowane rozwiązania dla zastosowań lotniczych i transportowych.

Układy SCU zostały omówione w wielu publikacjach naukowych, m.in. Yuedong Zhan, Youguang Guo in. pt.: „Current short circuit implementation for performance improvement and lifetime extension of proton exchange membrane fuel cell”, Journal of Power Sources, Volume 270, 15 December 2014, s. 183-192 oraz Jincheol Kim, Dong-Min Kim i in. pt.: „Humidification of polymer electrolyte membrane fuel cell using short circuit control for unmanned aerial vehicle applications”, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 15, 15 May 2014, s. 7925-7930.

W tych publikacjach potwierdzono celowość stosowania samonawilżania stosu ogniw paliwowych za pomocą układu SCU z klasycznymi zwarciami za pomocą tranzystorów, z wydzieleniem na nich ciepła prowadzących do poprawy parametrów pracy stosu ogniw paliwowych.

Dla przeprowadzenia opisanych zwarć stosu ogniw paliwowych, układ SCU wyposażony jest w sterownik. Głównymi elementami wykonawczymi w sterowniku są tranzystory mocy N-MOSFET lub tranzystory IGBT sterowane z MCU (z ang. Micro Controller Unit) przystosowane do przepływu prądu zwarcia ogniwa oraz do rozproszenia wytworzonego ciepła. Stos ogniw paliwowych zasila odbiorniki zewnętrzne poprzez diodę blokującą przepływ prądu od strony odbiornika prądu elektrycznego do stosu ogniw paliwowych, w przypadku gdy jest niższe napięcie na stosie ogniw paliwowych niż na odbiorniku, co występuje w trakcie działania układu SCU. Szczególnie znaczenie ma to w przypadku hybrydowych źródeł energii, gdzie praca układu SCU mogłaby powodować rozładowanie baterii i zanik napięcia.

Czas pomiędzy kolejnymi załączeniami układu SCU (oszacowany na podstawie analizy pracy stosów ogniw paliwowych firmy Horizon typu H5000 - wyposażonych w układ SCU) wynosi 10 s i nie zależy od obciążenia ani temperatury stosu ogniw paliwowych. Czas trwania impulsu SCU wynosi 100 ms i również nie zależy od parametrów pracy. Z powyższego wynika, że 1% czasu pracy poświęcany jest na pracę układu SCU.

W czasie pracy układu SCU, na ścieżkach, przewodach oraz elemencie zwierającym (MOSFET/IGBT) wydzielana jest energia w formie ciepła Joule’a. Maksymalny prąd płynący przez obwód SCU zależy od budowy stosu ogniw paliwowych. Jest on zdefiniowany dla określonego czasu trwania np. kilku/kilkunastu ms i wynosi powyżej 1000 A dla H5000 oraz powyżej 150 A dla H500. Maksymalny prąd można ograniczyć wprowadzając do pętli zwarciowej dodatkowy opór w postaci elementu rezystywnego.

Zakładając pomijalnie mały opór stosu ogniw paliwowych można obliczyć, że prąd w początkowym momencie zwarcia (t0=0 ms) będzie przykładowo równy: l0=1200 A (dla stosu o mocy 5 kW, Uocv =120 V, przy oporze obwodu SCU=0,1 Ω). Upraszczając można przyjąć utrzymywanie się tego prądu przez cały czas trwania impulsu SCU.

PL 238 623 Β1

Średnia moc cieplna Pśr wydzielana w trakcie przepływu prądu zwarciowego l_z przez układ SCU o oporze R dla stosu ogniw paliwowych określona jest wzorem:

τ to

U ^R i 2 t₀ , ^fo

Pś_r = — I Ri²(t)dt = — I%dt = —RI² — —U_OCVI_Z o

gdzie:

Pśr- średnia moc cieplna wydzielana w obwodzie zwarcia SCU

Iz - prąd zwarcia przepływający przez obwód SCU

R - opór obwodu zwarciowego SCU

U_ocv - maksymalne napięcie stosu ogniw paliwowych (napięcie obwodu otwartego stosu ogniw paliwowych) to - czas trwania zwarcia układu SCU

T- okres pomiędzy kolejnymi wystąpieniami zwarcia układu SCU.

Dla przykładowego stosu ogniw paliwowych o mocy 5 kW dla którego napięcie L/_OCT=120 V i przepływa prąd zwarciowy /_z=1200 A przez układ SCU o oporze R=0,1 Ω i biorąc pod uwagę czas pracy układu SCU równy lub mniejszy od 1% (/o=1OO ms co 7=10 s), średnia moc wydzielana w postaci ciepła w obwodzie prądu zwarciowego wynosi:

τt i r . p f t₀ , t₀ o.i

Pi_r = - Ri²(t)dt = - I²dt = — RI² = — U_ocvI_z = —120 * 1200 = 1,44W Jl FT1 1 X Z tri J * rjt Λ ΓΤΊ ŁJC IZ ύ Η Λ' oo

Moc cieplna w trakcie pracy układu SCU wynosi więc 1,44 kW i musi ona zostać odebrana z układu SCU w krótkim czasie (T<10 s) przed kolejnym zwarciem co wymaga wydajnego układu chłodzenia.

W obecnym stanie techniki układy SCU są dość powszechnie stosowane w celu nawilżenia membran ogniw paliwowych, zawartych w stosie ogniw paliwowych typu PEMFC. To zamierzone działanie zapobiega podwyższeniu rezystancji elektrycznej stosu PEMFC, które zmniejsza straty energii elektrycznej. Jednak przepływ prądu zwarciowego przez klasyczny układ SCU, powoduje wydzielenie w jego obwodzie ciepła, które jest rozpraszane na biernych elementach chłodzących (radiatory). Jak dotąd energia ta nie jest odzyskiwana.

Celem wynalazku jest opracowanie układu umożliwiającego odzyskiwanie części energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu ogniw paliwowych typu PEMFC, realizowanego za pomocą układu SCU i przeznaczenie jej do zasilania urządzeń pomocniczych, niezbędnych do pracy generatora ogniw paliwowych.

Istota układu do odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu ogniw paliwowych typu PEMFC, wyposażonego w moduł SCU z superkondensatorem, sterowany za pomocą mikrokontrolera MCU z przełącznikami dużej mocy, charakteryzuje się tym, że gałąź zwierającą stosu ogniw paliwowych typu PEMFC tworzy połączenie kolektora plus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC z wejściem sterowanego przełącznika zwierającego, którego wyjście połączone jest z wyprowadzeniem dodatnim superkondensatora o pojemności wyznaczonej z zależności dla docelowego superkondensatora: C=Q/(10-L/_OCT), gdzie Q oznacza ładunek prądu zwarciowego, a L/_0Cv oznacza maksymalne napięcie wytwarzane przez stos ogniw paliwowych PEMFC, natomiast Q=l_z-t, gdzie l_z określa prąd zwarciowy stosu ogniw paliwowych PEMFC, zaś t określa czas trwania zwarcia. Nominalne napięcie superkondensatora spełnia warunek L/_c>1,1-L/_0CT, natomiast prąd nominalny pracy superkondensatora l_c>l_z. Wyprowadzenie ujemne superkondensatora połączone jest z kolektorem minus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC, natomiast wyprowadzenie dodatnie superkondensatora połączone jest z wejściem sterowanego przełącznika rozładowującego, którego wyjście połączone jest z jednym wejściem przetwornicy DC/DC, a drugie wejście przetwornicy DC/DC połączone jest z wyprowadzeniem ujemnym superkondensatora, a także z kolektorem minus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC. Wejścia sterujące sterowanego przełącznika zwierającego oraz wejście sterujące sterowanego przełącznika rozładowującego przyłączone są do wyjść mikrokontrolera MCU, zaś wyjście przetwornicy DC/DC połączone jest z mikrokontrolerem MCU oraz z blokiem zasilania urządzeń pomocniczych generatora stosu ogniw paliwowych typu PEMFC.

PL 238 623 B1

W odróżnieniu do stosowanych obecnie rozwiązań np. firmy Horizon, układ według wynalazku zawiera dodatkowe elementy w postaci superkondensatora oraz obwodu jego rozładowywania, podnoszącego sprawność układu stosu ogniw paliwowych. Superkondensator służy do odebrania i zmagazynowania ładunku elektrycznego przepływającego w wyniku prądu zwarciowego, zamiast rozpraszać go w postaci odpadowego ciepła i ogranicza konieczność chłodzenia układów wykonawczych w postaci układów energoelektronicznych IGBT lub MOSFET stosowanych dotychczas. Dodatkowo energia elektryczna zwarcia zmagazynowana w superkondensatorze jest odzyskiwana i zużywana do zasilania urządzeń pomocniczych (tzw. energetyczne potrzeby własne) pracującego stosu ogniw paliwowych typu PEMFC.

Superkondensator jest ładowany w trakcie przepływu przez niego prądu zwarciowego. Następnie po zakończeniu zwarcia naładowany superkondensator jest rozładowany, a energia odebrana od niego zasila urządzenia pomocnicze stosu ogniw paliwowych, niezbędne w pracy generatora energii elektrycznej zawierającego stos ogniw paliwowych typu PEMFC.

Poprawa parametrów pracy stosu ogniw paliwowych typu PEMFC następuje w wyniku działania SCU, ale w układzie według wynalazku energia prądu zwarcia SCU nie jest rozpraszana (tracona) w postaci ciepła odpadowego jak w znanych ze stanu techniki rozwiązaniach, ale jest odzyskiwana w postaci energii elektrycznej gromadzonej w superkondensatorze. Zmagazynowana w superkondensatorze energia jest wykorzystywana do zasilania układów pomocniczych (potrzeb własnych) stosu ogniw paliwowych co prowadzi do podniesienia sprawności pracy całego systemu generatora energii elektrycznej ze stosem ogniw paliwowych.

Kolejnym zyskiem w zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, jest lepsza współpraca urządzeń elektrochemicznych w tzw. hybrydowych elektrochemicznych źródłach energii jak np. akumulator elektrochemiczny plus stos ogniw paliwowych typu PEMFC. Połączenie elektryczne akumulatora elektrochemicznego oraz stosu ogniw paliwowych realizowane jest poprzez zastosowanie przekształtnika napięcia - przetwornicy DC/DC. Stosowanie krótkotrwałych zwarć stosu ogniw paliwowych typu PEMFC, skutkujących tzw. zapadem napięcia, utrudnia integrację tych komponentów w systemie energetycznym, co wymaga wprowadzanie działań korygujących w algorytmach odpowiedzialnych za sterowanie pracą całego urządzenia. W celu ograniczenia tych niepożądanych działań producenci obciążeń elektronicznych wprowadzają celowo układy elektryczne dostosowujące ich współpracę ze stosami ogniw paliwowych typu PEMFC wyposażonymi w układ SCU jak przedstawiono m.in. w Internecie na stronie www.h2planet.eu.

Dzięki zastosowaniu układu według wynalazku nie trzeba stosować rozbudowanych układów chłodzenia i dodatkowych elementów rozpraszających jak np. wentylatory lub radiatory, co powoduje zmniejszenie ciężaru układu chłodzenia. Ponadto możliwe jest wyeliminowanie układów nawilżania gazów procesowych dostarczanych do stosu ogniw paliwowych typu PEMFC.

Układ według wynalazku, może znaleźć zastosowanie w znanych rozwiązaniach stosów ogniw paliwowych chłodzonych powietrzem, dla których stosowane są obecnie klasyczne układy SCU służące do samonawilżania stosu ogniw paliwowych niskotemperaturowych z płytami bipolarnymi grafitowymi.

Układ do odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu ogniw paliwowych typu PEMFC, według wynalazku, objaśniono poniżej w praktycznym przykładzie realizacji oraz na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu do poprawy parametrów ogniwa typu PEMFC z odzyskiwaniem energii elektrycznej, a fig. 2 - przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie do poprawy parametrów ogniwa typu PEMFC z odzyskiwaniem energii elektrycznej w trakcie cyklu zwarcia i rozładowania superkondensatora.

Przykładu tego nie należy uważać za ograniczającego istotę lub zawężającego zakres ochrony, gdyż stanowi on jedynie ilustrację wynalazku.

Układ do odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 zasilającego odbiornik 3 przez diodę blokującą 2 uniemożliwiającą odwrotny przepływ prądu od odbiornika 3 w kierunku stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1, zawiera moduł SCU z superkondensatorem 4 oraz dwa tranzystory IGBT, z których pierwszy stanowi przełącznik zwierający 5 i jest odpowiedzialny za realizowanie zwarć układu SCU, a drugi stanowi sterowany przełącznik rozładowujący 6, odpowiedzialny za pobór prądu z superkondensatora 4 do przetwornicy DC/DC 8 zasilającej układ zasilania urządzeń pomocniczych 9. Układ jest ponadto wyposażony w moduł mikrokontrolera MCU 7 sterujący pracą przełącznika zwierającego 5 oraz przełącznika rozładowującego 6.

Pojemność superkondensatora 4 obliczono z zależności dla docelowego superkondensatora C=Q/(10-Uocv), gdzie Q oznacza ładunek prądu zwarciowego, a Uocv oznacza maksymalne napięcie

PL 238 623 B1 wytwarzane przez stos ogniw paliwowych PEMFC 1 serii H5000, oferowany przez firmę Horizon, Sinagpur i wynosi Uocv =120 V. Natomiast Q=lzł, gdzie lz określa prąd zwarciowy stosu ogniw paliwowych PEMFC 1 przepływający przez obwód SCU i wynosi 1200 A (prąd zwarcia ogniwa o mocy 5 kW), zaś t określa czas trwania zwarcia układu SCU i wynosi 0,1 s. W związku z tym Q = 1200 A-0,1 s = 120 C, więc pojemność superkondensatora 4 wynosi C =120 C/(10-120 V) = 0,1 F.

W układzie zastosowano superkondensator 4 o napięciu nominalnym Uc>1,1·Uocv tj. Uc =132 V i Ic - prądzie pracy suerkondensatora 4, który musi być większy niż prąd zwarcia lz stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1.

Gałąź zwierającą stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 tworzy połączenie kolektora plus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 z wejściem sterowanego przełącznika zwierającego 5, którego wyjście połączone jest z wyprowadzeniem dodatnim superkondensatora 4. Wyprowadzenie ujemne superkondensatora 4 połączone jest z kolektorem minus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1, natomiast wyprowadzenie dodatnie superkondensatora 4 połączone jest z wejściem sterowanego przełącznika rozładowującego 6, którego wyjście połączone jest z jednym wejściem przetwornicy DC/DC 8, a drugie wejście przetwornicy DC/DC 8 połączone jest z wyprowadzeniem ujemnym superkondensatora 4, a także z kolektorem minus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1. Wejścia sterujące sterowanego przełącznika zwierającego 5 oraz wejście sterujące sterowanego przełącznika rozładowującego 6 przyłączone są do wyjść mikrokontrolera MCU 7. Wyjście przetwornicy DC/DC 8 połączone jest z mikrokontrolerem MCU 7 oraz z blokiem zasilania urządzeń pomocniczych 9 generatora ogniwa paliwowego 1.

Figury 2a-2d obrazują przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie według wynalazku, w trakcie cyklu zwarcia i rozładowania superkondensatora, dla założonego wcześniej okresu załączania pojedynczego impulsu SCU oraz jego wypełnienia (10 s/0,1 s).

W trakcie pracy stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 i przy braku zwarcia (przełącznik zwierający 5 otwarty = układ SCU nie załączony) jak zobrazowano na fig. 2a, napięcie chwilowe na odbiorniku 3 uioad=87,37 V dla chwilowego prądu obciążenia i=58,24 A pobieranego ze stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1. W momencie wystąpienia kolejnych impulsów zwarciowych (przełącznik zwierający 5 załączony = załączony układ SCU) obserwuje się obniżenie napięcia chwi lowego na odbiorniku 3 do wartości uioad=32,5 V. Na wykresie przedstawionym na fig. 2b widoczne jest natężenie prądu chwilowego I cap przepływającego przez superkondensator 4 w trakcie zwarcia stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 spowodowanego załączeniem przełącznika zwierającego 5 dla w pełni rozładowanego superkondensatora 4 wynosi około Icap=396 A, aby w kolejnych cyklach (superkondensator 4 częściowo naładowany) osiągnąć wartość I cap=245 A. Przepływ prądu zwarciowego o takim natężeniu przez superkondensator w pełni zapewnia odpowiedni stopień nawilżenia stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 wodą powstałą w wyniku reakcji elektrochemicznej zachodzącej na katodzie. Jednocześnie w trakcie przepływu prądu zwarciowego przez superkondensator 4, w trakcie gdy jest zamknięty przełącznik zwierający 5, gromadzona jest w nim energia elektryczna, która jest odzyskiwana w następnym cyklu pracy, gdy z kolei zamknięty jest przełącznik rozładowujący 6.

Parametry energii elektrycznej (prąd i napięcie na superkondensatorze 4), możliwej do odzyskania z układu SCU zawierającego superkondensator 4 pokazana została na fig. 2c, obrazującej wykres napięcia chwilowego ucap na superkondensatorze 4 oraz na fig. 2d, obrazującej wykres natężenia prądu chwilowego Ir płynącego z superkondensatora 4 i pobieranego przez przetwornicę DC/DC 8 zasilającą układ zasilania urządzeń pomocniczych 9. Jak widać, chwilowe natężenie prądu iR pobieranego z superkondensatora 4 do przetwornicy DC/DC 8 zasilającej układ zasilania urządzeń pomocniczych 9 w trakcie, gdy załączony jest przełącznik rozładowujący 6 pomiędzy kolejnymi zwarciami układu SCU (załączeniami co 10 sekund na 0,1 sekundy przełącznik zwierający 5) zmienia się od wartości iR=1,012 A do Ir=0,38 A. Odpowiadające tym chwilowym natężeniom prądu iR pobieranego z superkondensatora 4 wartości chwilowe napięcia ucap na superkondensatorze 4 wynoszą odpowiednio ucap=102,5 V i ucap=38,5 V, gdy załączony jest przełącznik rozładowujący 6 pomiędzy kolejnymi zwarciami układu SCU (załączeniami co 10 sekund na 0,1 sekundy przełącznik zwierający 5).

Odzyskiwana moc elektryczna z superkondensatora 4 poprzez przetwornicę DC/DC 8 do układu zasilania urządzeń pomocniczych 9 jest w stanie pokryć zapotrzebowanie na moc zasilającą mikrokontroler MCU 7, która wynosi do 12 W. Tym samym energia elektryczna odzyskana z superkondensatora 4 nie jest rozpraszana w postaci ciepła, ale służy do zasilania układu zasilania urządzeń pomocniczych 9 stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 poprawiając sprawność działania generatora energii elektrycznej zawierającej stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 1 zasilającej odbiornik 3.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ do odzyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w trakcie samonawilżania stosu ogniw paliwowych typu PEMFC, wyposażony w moduł SCU z superkondensatorem, sterowany za pomocą mikrokontrolera MCU z przełącznikami dużej mocy, znamienny tym, że gałąź zwierającą stosu ogniw paliwowych typu PEMFC (1) tworzy połączenie kolektora plus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC (1) z wejściem sterowanego przełącznika zwierającego (5), którego wyjście połączone jest z wyprowadzeniem dodatnim superkondensatora (4) o pojemności wyznaczonej z zależności dla docelowego superkondensatora: C=Q/(10-L/_OCT), gdzie Q oznacza ładunek prądu zwarciowego, a U_ocv oznacza maksymalne napięcie wytwarzane przez stos ogniw paliwowych PEMFC (1), natomiast Q=l_z-t, gdzie l_z określa prąd zwarciowy stos ogniw paliwowych PEMFC (1), zaś t określa czas trwania zwarcia, przy czym nominalne napięcie superkondensatora (4) spełnia warunek U_C>1,1-U_OCT, natomiast prąd nominalny pracy superkondensatora (4) lc>l_z, a wyprowadzenie ujemne superkondensatora (4) połączone jest z kolektorem minus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC (1), natomiast wyprowadzenie dodatnie superkondensatora (4) połączone jest z wejściem sterowanego przełącznika rozładowującego (6), którego wyjście połączone jest z jednym wejściem przetwornicy DC/DC (8), a drugie wejście przetwornicy DC/DC (8) połączone jest z wyprowadzeniem ujemnym superkondensatora (4), a także z kolektorem minus stosu ogniw paliwowych typu PEMFC (1), natomiast wejścia sterujące sterowanego przełącznika zwierającego (5) oraz wejście sterujące sterowanego przełącznika rozładowującego (6) przyłączone są do wyjść mikrokontrolera MCU (7), zaś wyjście przetwornicy DC/DC (8) połączone jest z mikrokontrolerem MCU (7) oraz z blokiem zasilania urządzeń pomocniczych (9) generatora stosu ogniw paliwowych typu PEMFC (1).