RU2210840C1

RU2210840C1 - Power system

Info

Publication number: RU2210840C1
Application number: RU2002108926/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Темерко; Г.Е. Барсуков; В.С. Бедбенов
Original assignee: Темерко Александр Викторович; Барсуков Геннадий Евгеньевич; Бедбенов Владимир Степанович
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-08-20
Also published as: RU2002108926A

Abstract

FIELD: power systems built around fuel cells. SUBSTANCE: power system has at least one unit of electrochemical fuel cells whose dc output current is converted to ac supply; chemical agents storage, delivery, discharge, and distribution system; channels for discharging products of chemical reaction; turbine unit; ac current regulator, and ac current frequency stabilizer; system provides for adding and matching outputs of ac current generated by fuel cell unit and turbine unit. The latter is made in the form of thermomagnetic device incorporating centrifugal turbine whose running blades are placed in magnetic field of system. Heat flux produced in the course of operation of fuel cells is converted into mechanical energy for centrifugal turbine rotation by feeding heat flux to mentioned blades in location of external magnetic system as they leave effective range of external magnetic system attraction to ensure their heating to temperature of their magnetically soft material transition to paramagnetic state. Air supplied to fuel cell unit for oxygen extraction is also used to cool down mentioned blades to temperature below that of their transition from magnetically soft to paramagnetic state. Some portion of dc energy produced by fuel cells is used to build up magnetic field around external magnetic system of centrifugal turbine. EFFECT: enhanced efficiency of utilizing fuel as well as specific and total output power.. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетическим системам на базе топливных элементов, в частности, основанных на применении комбинации электрохимических преобразователей энергии и магнитотепловых устройств, с целью увеличения количества получаемой электрической энергии, а также повышения удельной и суммарной выходной мощности установки. The invention relates to electric systems based on fuel cells, in particular, based on the use of a combination of electrochemical energy converters and magnetothermal devices, with the aim of increasing the amount of electrical energy received, as well as increasing the specific and total output power of the installation.

Известны электроэнергетические системы, содержащие, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный блок и блок контроля и автоматического управления (см. RU 2168806 С2, H 01 M 8/06, 10.06.2001). Known electric power systems containing at least one block of electrochemical fuel cells, a system for storing, supplying, discharging and distributing reagents, channels for discharging chemical reaction products, a turbine block and a control and automatic control unit (see RU 2168806 C2, H 01 M 8/06, 06/10/2001).

Важнейшей особенностью электрохимического способа производства энергии является высокий коэффициент прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию постоянного тока, уже сегодня, в лучших образцах электрохимических преобразователей достигающий от 50 до 70%. При всем этом электрохимические топливные элементы бесшумны, не загрязняют окружающую среду и способны работать в течение длительного времени. Электрохимический метод производства энергии в топливных элементах превосходит по экологической чистоте традиционную топливную энергетику в десятки и сотни раз, а по удельным энергетическим характеристикам обычные химические источники тока в тысячи раз. The most important feature of the electrochemical method of energy production is a high coefficient of direct conversion of the chemical energy of the fuel into direct current electric energy, which already today, in the best samples of electrochemical converters, reaches from 50 to 70%. With all this, electrochemical fuel cells are silent, do not pollute the environment and are able to work for a long time. The electrochemical method of energy production in fuel cells surpasses traditional fuel energy in environmental cleanliness by tens and hundreds of times, and in specific energy characteristics by conventional chemical current sources by thousands of times.

В настоящее время наиболее перспективными представляются электрохимические установки, создаваемые на базе топливных элементов, в которых сопутствующее выработке электрической энергии тепло порядка 30-50% используют в целях теплофикации или для запуска паровых турбин, с целью получения дополнительной электроэнергии, таким образом, утилизируя тепловую часть химической энергии топлива. At present, the most promising are electrochemical plants created on the basis of fuel cells, in which heat of about 30-50% associated with the generation of electric energy is used for heating or for starting steam turbines, in order to obtain additional electricity, thus utilizing the thermal part of the chemical fuel energy.

В этой связи представляется интересным рассмотреть электроэнергетическую систему, представляющую собой комбинацию электрохимического генератора с магнитотепловым устройством, в которой выделяемое топливными элементами тепло используется для получения дополнительного количества электрической энергии, производимой радиально-осевой турбиной, посредством соосно встроенного генератора переменного тока, рабочие лопатки которой изготовлены из магнитомягкого материала, обладающего свойством фазового перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно под воздействием подаваемого на лопатки теплового импульса. In this regard, it is interesting to consider an electric power system, which is a combination of an electrochemical generator with a magnetothermal device, in which the heat generated by fuel cells is used to obtain additional amount of electric energy produced by a radial-axial turbine, by means of a coaxially built-in alternating current generator, the working blades of which are made of soft magnetic material with the property of a phase transition from ferromagnetic to pa nonmagnetic state and back under the influence of heat applied to the vanes pulse.

Техническим результатом изобретения является практически полная утилизация теплоты, выделяемой в процессе работы топливных элементов, получение дополнительного количества относительно дешевой электрической энергии, а также повышение удельной и соответственно суммарной мощности электроэнергетической системы. The technical result of the invention is the almost complete utilization of the heat released during the operation of the fuel cells, the receipt of additional quantities of relatively cheap electrical energy, as well as an increase in the specific and, accordingly, total power of the electric power system.

Технический результат достигается тем, что электроэнергетическая система содержит, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный узел, блок контроля и автоматического управления и снабжена преобразователем постоянного тока в переменный, регулятором и стабилизатором частоты переменного тока и согласующим трансформатором, подключенным одной своей первичной обмоткой к выходу преобразователя, а другой - к выходу регулятора и стабилизатора частоты переменного тока, производимого турбинным узлом, выполненным в виде магнитотеплового устройства с радиально-осевой турбиной с рабочими лопатками, изготовленными из магнитомягкого материала, обладающего скачком намагниченности в точке магнитного фазового перехода и соосно агрегатированного с турбиной генератором переменного тока, причем часть производимой топливными элементами энергии постоянного электрического тока используется для создания магнитного поля турбины и генератора магнитотеплового устройства, а часть энергии переменного тока, производимой электроэнергетической системой, используется для работы вспомогательных узлов и исполнительных механизмов, блока контроля и автоматического управления, а также вычислительного комплекса, осуществляющего оптимизацию работы энергетической системы, в соответствии с рабочими параметрами, в зависимости от тока нагрузки. The technical result is achieved by the fact that the electric power system contains at least one unit of electrochemical fuel cells, a system for storing, supplying, discharging and distributing reagents, channels for removing chemical reaction products, a turbine unit, a control and automatic control unit, and is equipped with a DC to variable, with an AC frequency regulator and stabilizer and a matching transformer connected by one of its primary windings to the output of the converter, and the other by to the output of the regulator and stabilizer of the frequency of the alternating current produced by the turbine unit, made in the form of a magnetothermal device with a radial-axial turbine with working blades made of soft magnetic material having a magnetization jump at the point of magnetic phase transition and coaxially aggregated with the turbine by an alternator, part of the direct current electric energy produced by fuel cells is used to create a magnetic field of a turbine and a magnet generator heating device, and part of the AC energy produced by the electric power system is used to operate auxiliary units and actuators, a control and automatic control unit, as well as a computer complex that optimizes the power system in accordance with operating parameters, depending on the load current .

Турбина с рабочими лопатками, выполненными из магнитомягкого материала, с вышеуказанными магнитными свойствами, будучи помещенной во внешнее магнитное поле, способна высвобождать под воздействием теплового импульса запасенную в этом поле и рабочем теле лопаток магнитную энергию, трансформируемую в процессе их взаимодействия в энергию вращения турбины, с частотой, определяемой скоростью протекания фазовых переходов в материале лопаток, в окрестностях точки перехода Кюри - Тc. A turbine with rotor blades made of soft magnetic material with the above magnetic properties, when placed in an external magnetic field, is capable of releasing under the influence of a thermal pulse the magnetic energy stored in this field and the rotor blades body, which is transformed in the process of their interaction into rotational energy of the turbine, with the frequency determined by the rate of phase transitions in the material of the blades, in the vicinity of the Curie - Tc transition point.

Магнитные фазовые переходы в описываемой ниже электроэнергетической системе осуществляются под воздействием тепла, выделяемого в процессе работы топливных элементов и подаваемого на рабочие лопатки, в области расположения магнитной системы, по мере их выхода из области действия сил магнитной тяги. При этом магнитотепловое устройство содержит генератор переменного тока, непосредственно встроенный в корпус турбины либо соосно агрегатированный с ней. Magnetic phase transitions in the electric power system described below are carried out under the influence of heat generated during operation of the fuel elements and supplied to the working blades, in the area of the magnetic system, as they move out of the range of magnetic traction. In this case, the thermal magnet device comprises an alternating current generator directly integrated into the turbine casing or coaxially aggregated with it.

Этот системный принцип управляемого процесса совместной работы электрохимического генератора и магнитотеплового устройства, выполненного в виде турбины с лопатками, изготовленными из магнитомягкого материала, и встроенного генератора переменного тока может быть реализован в конструкциях произвольного масштаба и различного назначения, от портативных и мобильных до стационарных бытовых и промышленных электроэнергетических установок. This system principle of a controlled process of joint work of an electrochemical generator and a magnetothermal device made in the form of a turbine with blades made of magnetically soft material and an integrated alternating current generator can be implemented in constructions of any scale and for various purposes, from portable and mobile to stationary household and industrial electric power plants.

На чертеже приведена принципиальная схема такой электроэнергетической системы, иллюстрирующая принцип ее работы. Система включает блок электрохимических топливных элементов, который вырабатывает постоянный электрический ток и тепло, и магнитотепловое устройство, выполненное в виде радиально-осевой турбины с рабочими лопатками из магнитомягкого материала, с температурозависимыми магнитными свойствами и встроенного генератора переменного тока, способных воспринимать от топливных элементов постоянный электрический ток для создания постоянного магнитного поля и тепловую энергию для осуществления фазовых переходов в рабочем теле лопаток с преобразованием магнитной энергии и тепла во вращательное движение турбины. The drawing shows a schematic diagram of such an electric power system, illustrating the principle of its operation. The system includes a block of electrochemical fuel cells that generates direct electric current and heat, and a magnetothermal device made in the form of a radial-axis turbine with rotor blades made of magnetically soft material, with temperature-dependent magnetic properties and an integrated alternating current generator capable of receiving constant electric current from fuel cells current for creating a constant magnetic field and thermal energy for phase transitions in the working body of the blades with pre mation of the magnetic energy and heat into a rotational movement of the turbine.

Изображенная на чертеже принципиальная блок-схема работы электроэнергетической системы включает: батарею из блоков электрохимических топливных элементов 1, резервуар для хранения топлива 2, исполнительный механизм подачи топлива 3, измерительный комплекс 4, исполнительный механизм 5 забора, например, воздуха из окружающей среды, радиально-осевую турбину 6 со встроенным генератором переменного тока 7, преобразователь постоянного тока в переменный 8, согласующий трансформатор 9, регулятор и стабилизатор частоты 10, сборник-накопитель тепла 11, блок отвода продуктов реакции 12, вычислительный комплекс 13, управляющий комплекс 14 и монитор 15. The basic block diagram of the operation of the electric power system shown in the drawing includes: a battery of electrochemical fuel cell blocks 1, a fuel storage tank 2, an actuator for supplying fuel 3, a measuring complex 4, an actuator 5 for taking, for example, air from the environment, radially axial turbine 6 with a built-in alternator 7, a direct current to alternating current converter 8, matching transformer 9, a frequency regulator and stabilizer 10, a heat storage tank 1 1, a reaction product removal unit 12, a computing complex 13, a controlling complex 14, and a monitor 15.

Суть работы электроэнергетичесой системы заключается в следующем. Топливо в виде чистого водорода или другого реакционно-активного вещества из специального резервуара 2 посредством исполнительного механизма подачи топлива 3 подается в блок электрохимических топливных элементов 1, в котором происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. Забор кислорода осуществляется, например, из воздуха, причем воздух предварительно прокачивают через радиально-осевую турбину 6 с целью охлаждения рабочих лопаток турбины и статора генератора, а затем подают в блок топливных элементов. The essence of the electric power system is as follows. Fuel in the form of pure hydrogen or another reactive substance from a special tank 2 is supplied through an actuator for supplying fuel 3 to the block of electrochemical fuel cells 1, in which the chemical energy of the fuel is directly converted into electrical energy. Oxygen is taken, for example, from air, and air is preliminarily pumped through a radial-axial turbine 6 in order to cool the working blades of the turbine and generator stator, and then it is fed to the fuel cell block.

Электрохимические топливные элементы непрерывно вырабатывают постоянный электрический ток, а именно до тех пор, пока на его электроды продолжают поступать топливо и окислитель, а продукты окислительно-востановительной реакции выводятся наружу. Electrochemical fuel cells continuously generate a constant electric current, namely, until fuel and an oxidizing agent continue to flow to its electrodes, and the products of the redox reaction are brought out.

Протекающий электрохимический процесс одновременно сопровождается выделением достаточно большого количества тепла, от 30 до 50% и более в зависимости от типа используемых топливных элементов. The ongoing electrochemical process is simultaneously accompanied by the release of a sufficiently large amount of heat, from 30 to 50% or more, depending on the type of fuel cells used.

В рассматриваемой системе это сопутствующее работе электрохимических топливных элементов тепло используется для получения дополнительного количества электрической энергии путем его преобразования сначала в механическую энергию вращения турбины 6 с рабочими лопатками, изготовленными из магнитомягкого материала, претерпевающего магнитный фазовый переход, а затем посредством встроенного генератора 7 в электрическую. С этой целью выделяемое в процессе работы топливных элементов тепло предварительно отводится в сборник-накопитель 11, откуда под соответствующим давлением подается на лопатки турбины 6, нагревая рабочее тело лопаток до температуры его перехода в парамагнитное состояние. In the system under consideration, this concomitant work of electrochemical fuel cells is used to obtain additional amount of electric energy by first converting it into mechanical energy of rotation of a turbine 6 with rotor blades made of magnetically soft material undergoing a magnetic phase transition, and then through an integrated generator 7 into electric one. For this purpose, the heat released during the operation of the fuel cells is previously diverted to the storage tank 11, from where it is supplied to the turbine blades 6 under the appropriate pressure, heating the blades working medium to the temperature of its transition to the paramagnetic state.

Таким образом, возникает резко выраженный градиент магнитодвижущей силы, действующий со стороны сил магнитной тяги, создаваемой магнитной системой, например постоянными магнитами, в направлении вращения турбины на рабочие лопатки, находящиеся до воздействия тепла в ферромагнитном состоянии, и противоположной силы, направленной на торможение покидающих зону нагрева лопаток, претерпевших под воздействием теплового импульса фазовый переход в парамагнитное состояние. Thus, a pronounced gradient of the magnetomotive force arises, acting on the side of the magnetic traction forces created by the magnetic system, for example, permanent magnets, in the direction of rotation of the turbine on the rotor blades, which are in front of the heat in the ferromagnetic state, and the opposite force, aimed at braking leaving the zone heating of the blades that underwent a phase transition to the paramagnetic state under the influence of a thermal pulse.

В результате такого динамического магнитотеплового взаимодействия рабочего тела лопаток с магнитным полем постоянных магнитов или индуцированного постоянным током, полученным от топливных элементов, происходит преобразование тепловой энергии, энергии фазовых переходов и кинетической энергии теплоносителя в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую в виде переменного тока на выходе встроенного генератора 7 с индуктором, питаемого от сети постоянного тока, производимого топливными элементами, или с ротором, выполненного на постоянных магнитах. As a result of such dynamic magnetothermal interaction of the working fluid of the blades with the magnetic field of permanent magnets or induced by direct current received from fuel cells, the thermal energy, phase transition energy and kinetic energy of the coolant are converted into mechanical energy of rotation of the turbine, and then into electrical energy in the form of alternating current at the output of the built-in generator 7 with an inductor, powered from a direct current network produced by fuel cells, or with a rotor, nennogo permanent magnet.

Электроэнергетическая система функционирует следующим образом: постоянный ток с выхода блока топливных элементов 1 после преобразования в переменный из блока преобразователя 8 подается на первичную обмотку согласующего трансформатора 9, подключенного другой своей первичной обмоткой к выходу регулятора и стабилизатора частоты 10 переменного тока, произведенного генератором 7. The electric power system operates as follows: the direct current from the output of the fuel cell unit 1 after being converted to alternating current from the converter unit 8 is supplied to the primary winding of the matching transformer 9, connected by its other primary winding to the output of the regulator and frequency stabilizer 10 of the alternating current produced by the generator 7.

Таким образом, происходит сложение и согласование выходов электрической энергии в виде преобразованного в переменный постоянного электрического тока, идущего от топливных элементов 1, и переменного тока, вырабатываемого генератором 7. При этом часть получаемой электрической энергии используется для поддержания работы вспомогательных узлов и исполнительных механизмов, а также компьютерного комплекса, осуществляющего автоматический контроль и управление за расходом подаваемого топлива, подержанием температурного режима, отвода продуктов реакции и стабилизации работы электроэнергетической системы по частоте и напряжению в зависимости от тока нагрузки. Thus, the addition and coordination of the outputs of the electric energy in the form of a direct electric current converted to alternating current coming from the fuel elements 1 and an alternating current generated by the generator 7 takes place. In this case, part of the generated electric energy is used to support the operation of auxiliary units and actuators, and also a computer complex that performs automatic control and management of the flow of fuel supplied, maintenance of the temperature regime, removal of products such as are for the reaction and stabilize the operation of the electric power system frequency and voltage according to the load current.

В предлагаемой электроэнергетической системе с магнитотепловым устройством достигается существенно более эффективное использование сопутствующего работе электрохимической установки тепла по сравнению с традиционно применяемыми паровыми турбинами, работа которых основана на многоступенчатом процессе получения высокотемпературного пара при относительно низких значениях КПД. In the proposed electric power system with a magnetothermal device, a significantly more efficient use of the concomitant operation of the electrochemical heat installation is achieved in comparison with traditionally used steam turbines, the operation of which is based on a multi-stage process for producing high-temperature steam at relatively low efficiency values.

Очевидным преимуществом магнитотепловых устройств, выполненных в виде турбины со встроенным генератором, по сравнению с традиционными паровыми турбинами является возможность использования для работы турбины существенно более низкопотециального тепла, что в случае ее применения в комбинации с электрохимическими генераторами имеет принципиальное значение. An obvious advantage of magnetothermal devices made in the form of a turbine with an integrated generator, compared with traditional steam turbines, is the possibility of using significantly lower potential heat for operation of the turbine, which, if used in combination with electrochemical generators, is of fundamental importance.

Не менее важным представляется то обстоятельство, что применение электрохимических генераторов на базе топливных элементов и магнитотепловых устройств позволяет решить одну из наиболее актуальных проблем, связанную с накоплением энергии. В самом деле, хорошо известно, что крупномасштабное промышленное использование низкопотенциальных природных источников энергии немыслимо без создания эффективных накопителей энергии. Equally important is the fact that the use of electrochemical generators based on fuel cells and magnetothermal devices allows one of the most urgent problems related to energy storage to be solved. In fact, it is well known that large-scale industrial use of low-potential natural energy sources is unthinkable without the creation of efficient energy storage devices.

В связи с этим предлагаемая электроэнергетическая система, включающая магнитотепловое устройство в качестве дополнительного источника электрической энергии, представляется перспективной не только для утилизации попутного тепла, производимого топливными элементами, но и для ее эффективного накопления. In this regard, the proposed electric power system, including a magnetothermal device as an additional source of electric energy, seems promising not only for the utilization of associated heat produced by fuel cells, but also for its effective storage.

Последнее достигается благодаря возможности независимой работы магнитотеплового устройства в составе электроэнергетической системы с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды, например тепловой энергии солнечного излучения, геотермальных вод и др. природных источников тепловой энергии, а также теплых промышленных стоков. Необходимое при этом для работы магнитотеплового устройства магнитное поле устанавливается посредством использования высококоэрцитивных постоянных магнитов. The latter is achieved due to the possibility of independent operation of the magnetothermal device as part of the electric power system using low-potential heat of the environment, for example, thermal energy from solar radiation, geothermal waters and other natural sources of thermal energy, as well as warm industrial effluents. The magnetic field necessary for the operation of the magnetothermal device is established by using highly coercive permanent magnets.

Claims

An electric power system containing at least one block of electrochemical fuel cells, the direct current from the output of which is converted into an alternating current by a direct current converter into an alternating current, a system for storing, supplying, removing and distributing reagents, channels for removing chemical reaction products, a turbine unit and a control unit and automatic control, characterized in that it is equipped with a regulator and an AC frequency stabilizer and a matching transformer connected to one primary which is connected to the output of the specified DC / AC converter, and the other to the output of the regulator and frequency stabilizer of the alternating current produced by the turbine unit, which provides the addition and matching of the outputs of the alternating electric current produced by the fuel cell unit and the turbine unit, made in the form of a magnetothermal device with radially -axial turbine with rotor blades made of soft magnetic material with a magnetization jump at the temperature of the Curie point placed in a magnetic field the magnetic system and the built-in alternator, the heat flux generated during the operation of the fuel cells is converted into the mechanical energy of rotation of the radial-axial turbine by feeding a radial-axial turbine to these blades of the external magnetic system as they exit the magnetic field external magnetic system of heat flow, providing heating them to the temperature of transition of their soft magnetic material to the paramagnetic state, and cooling of these the residual to a temperature below the transition of their soft magnetic material to the paramagnetic state is carried out by air supplied to the fuel cell block to draw oxygen from it, while part of the direct electric current produced by the fuel cells is used to create a magnetic field of the external magnetic system of the radial-axial turbine and an integrated alternator current of the magnetothermal device, and the control and automatic control unit is made in the form of a computer complex that performs omatichesky control and flow control for maintaining a supply of fuel temperature, removing the reaction products and the stabilization operation frequency electric power system and the voltage depending on the load current.