RU2598361C2 - Управление работой резервного электрического генератора с батареей топливных пом-элементов - Google Patents
Управление работой резервного электрического генератора с батареей топливных пом-элементов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2598361C2 RU2598361C2 RU2012131156/07A RU2012131156A RU2598361C2 RU 2598361 C2 RU2598361 C2 RU 2598361C2 RU 2012131156/07 A RU2012131156/07 A RU 2012131156/07A RU 2012131156 A RU2012131156 A RU 2012131156A RU 2598361 C2 RU2598361 C2 RU 2598361C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- voltage
- electric
- electric generator
- fuel cells
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
- H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Резервный электрический генератор (1) с батареей топливных ПОМ-элементов, включающий в себя: батарею (2) топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов (3), электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку; прибор (4) контроля напряжения элемента для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом (3); блок (5) регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батареей (2) топливных элементов и электрической нагрузкой; нагнетатель (6) для подачи количества воздуха, необходимого для химических реакций, которые происходят в топливных элементах (3); рециркулятор (7) водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи (2) топливных элементов; устройство (8) продувки водорода для осуществления первичной продувки водорода при меньшем расходе и вторичной продувки водорода при большем расходе; и контроллер (11), запрограммированный для управления работой электрического генератора (1) по-разному при запуске, при останове и во время его нормальной работы. Повышение надежности работы и срока службы резервного электрического генератора является техническим результатом изобретения. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрическому генератору на топливных элементах, специально предназначенному для обеспечения резервного питания при отсутствии питания в основной электрической сети, в котором множество топливных элементов уложены стопкой, образуя батарею для выработки электрической энергии, исходя из газообразного топлива и газообразного окислителя, подаваемых соответственно на топливный электрод (анод) и окислительный электрод (катод). В частности, изобретение относится к системе топливных элементов типа с протонообменной мембраной (ПОМ), в которой в качестве топлива используется водород и в которой осуществляется определенное управление увлажнением ПОМ-элементов.
Уровень техники
Как известно, поддержание надлежащего увлажнения является одним из наиболее тонких аспектов в отношении управления системой для выработки электрической и тепловой энергии на основе технологии топливных ПОМ-элементов.
Топливные элементы представляют собой одно из технологически наиболее перспективных решений по использованию водорода как источника энергии. Эти устройства, в которых используется электрохимическая реакция, способны преобразовывать химическую энергию в электрическую энергию.
В одиночном ПОМ-элементе одновременно происходят две полуреакции, одна на аноде и другая на катоде. Анод и катод ПОМ-элемента разделены электролитом, обычно представляющим собой мембрану из сульфированного полимера, способного проводить протоны, на противоположные стороны которой нанесен слой соответствующей каталитической смеси (например, смеси на основе Pt). Электролит обычно насыщен проводящей ионы текучей средой (например, водой) таким образом, чтобы ионы водорода могли проходить через него от анода к катоду.
В топливном элементе происходит следующая общая реакция:
2H2+O2→2H2O (1)
которая сопровождается выделением тепловой и электрической энергии и представляет собой сумму двух полуреакций, которые происходят, соответственно, на аноде, а именно:
2H2→4H++4e- (2)
и на катоде, а именно:
O2+4H++4e-→2H2O (3)
Таким образом, на анод подают водород, который диффундирует внутри каталитического слоя и в нем диссоциирует на ионы водорода и электроны, которые, при наличии непроницаемой для них мембраны, проходят по внешней электрической цепи вплоть до катода, генерируя электрический ток и соответствующую разность потенциалов. С другой стороны, на катод подают газообразную смесь, содержащую кислород, который реагирует с ионами водорода, прошедшими через электролит, и электронами, поступающими из внешней электрической цепи.
Необходимо увлажнять газообразные реагенты, потому что именно за счет молекул воды происходит перенос протонов через полимерную мембрану: чрезмерно низкая степень влажности приводит к более затруднительному переносу протонов из анодного отсека в катодный отсек, в результате чего снижается уровень эффективности топливного элемента, в то время как при чрезмерно высокой степени влажности вода конденсируется в жидком состоянии, в результате чего блокируются активные центры катализатора и снижается уровень эффективности топливного элемента. Таким образом, увлажнение газообразных реагентов представляет собой очень тонкий параметр в управлении системой топливных элементов.
Поскольку выработка четко определенного максимального напряжения связана с реакцией (1), чтобы добиться более высокого напряжения, множество топливных элементов обычно соединяют последовательно, образуя батарею.
Помимо батареи, электрический генератор на топливных элементах, специально предназначенный для обеспечения резервного питания в случае отсутствия питания из основной сети, включает гидравлический контур (насос, трубы, рассеиватели и т.д.), контур для подачи и отвода потоков газа (трубы для подачи водорода, трубы для подачи окислительной газовой смеси и т.д.), систему управления (блок управления, измерители для измерения температуры, расхода и давления, исполнительные механизмы и т.д.). Совокупность данных элементов обычно называют термином «вспомогательное оборудование» (от англ. «Balance of Plant», BoP). В многочисленных известных вариантах такой системы BoP включает устройство для увлажнения воздуха на впуске в батарею, возможно с регенерацией воды, образующейся во время процесса. Данное устройство состоит, в принципе, из ряда полимерных мембран, которые обеспечивают перенос за счет осмотического градиента молекул воды из выходящего газа, который проходит с одной стороны мембраны, во входящий газ, который проходит с другой стороны мембраны.
Кроме того, некоторые варианты предусматривают рециркуляцию и смешивание с «новым» газом, по меньшей мере, части потока, выходящего из батареи, благодаря использованию нагнетателя или насоса, что сопровождается, однако, уменьшением эффективности, увеличением шума системы и повышением риска отказа.
Наконец, воздух обычно используют в качестве катодного газа, и поэтому необходим нагнетатель или насос для снабжения батареи, компенсируя потери напора самого катодного контура.
Система, имеющая все описанные выше характеристики, известна, например, из документа № US-A-5543238. В указанной системе рециркуляцию осуществляют посредством компрессоров одновременно со стороны катодного газа и анодного газа на выпуске. Однако необходимо поддерживать систему для увлажнения, по меньшей мере, анодного газа, которая функционирует посредством внешнего источника влаги.
ПРЕДМЕТ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как можно понять из описанного выше, известные варианты резервных электрогенерирующих систем являются относительно дорогостоящими и трудоемкими и требуют поддержания точного и четкого порядка для предотвращения их ненадежности настолько, что, учитывая, что они представляют собой резервные системы и, следовательно, предназначены лишь для периодического вмешательства, движущиеся части (насосы, компрессоры и т.д.), например, требуют точной регулировки, чтобы не произошел отказ как раз в тот момент, когда они являются необходимыми.
Кроме того, известные системы всегда предусматривают использование системы увлажнения, которая функционирует за счет воды, подаваемой извне, или воды, частично регенерируемой посредством вышеупомянутых мембранных обменников. На самом деле, как указано выше, надлежащая работа топливного ПОМ-элемента в энергогенерирующих системах, которые могут эксплуатироваться пользователем, требует надлежащей степени увлажнения мембраны: низкое содержание воды в элементах приводит к обезвоживанию топливных элементов, в результате чего сокращается срок службы батареи, в то время как высокое содержание воды уменьшает приток реагентов и, следовательно, уменьшает производство электрической мощности, доступной пользователю (потребителю). Степень увлажнения мембраны оказывает преобладающее воздействие во время запуска и остановки, главным образом, если запуски разнесены по времени друг от друга, как происходит в энергогенерирующих системах, используемых по резервным назначениям.
Существующие решения сосредоточены, как правило, на поиске мембранно-электродных узлов (МЭУ), изготовленных из материалов, на которые не распространяются проблемы чрезмерного или недостаточного увлажнения. Однако указанные решения не предоставляют возможности непосредственного вмешательства в электрический генератор в случае проблем, с которыми сталкивается пользователь, например, временное закупоривание топливного элемента или низкое увлажнение.
Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить электрический генератор на топливных элементах, специально предназначенный для резервных применений, который преодолеет описанные выше недостатки, в частности, позволит сократить капитальные и эксплуатационные расходы и повысит эффективность и надежность электрического генератора, уменьшая в то же время его габаритные размеры, и который обеспечит возможность непосредственного вмешательства в электрический генератор в случае критической ситуации, обнаруженной надлежащим образом.
Согласно настоящему изобретению предложен резервный электрический генератор с батареей топливных ПОМ-элементов, который определен в пункте 1 формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее для лучшего понимания настоящего изобретения будет описан предпочтительный вариант его осуществления, исключительно в качестве неограничительного примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет блок-схему резервного электрического генератора с батареей топливных ПОМ-элементов, на которой показаны только части, необходимые для понимания настоящего изобретения; и
- фиг. 2 представляет график зависимости напряжения одиночного топливного элемента от плотности тока.
Обозначенный в целом номером 1 на фиг. 1 резервный электрический генератор с батареей топливных ПОМ-элементов, в принципе, включает в себя:
- батарею 2 топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов 3, электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку (не показана);
- прибор 4 контроля напряжения элемента (от англ. «cell-voltage monitor», CVM), присоединенный к батарее 2 топливных элементов для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом 3;
- блок 5 регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батарей 2 топливных элементов и электрической нагрузкой;
- нагнетатель (вентилятор) 6, предназначенный для подачи количества воздуха, необходимого для химической реакции, которая происходит в каждом топливном элементе 3;
- рециркулятор 7 водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи 2 топливных элементов;
- устройство 8 продувки водорода для вывода части водорода в окружающую среду или в катодный контур, которое включает в себя пару калиброванных клапанов 9, 10 для продувки водорода, первичной и вторичной, чтобы осуществлять, соответственно, первичную продувку водорода при меньшем расходе и вторичную продувку водорода при большем расходе; и
- электронный контроллер 11, который присоединен к прибору 4 контроля напряжения элемента, блоку 5 регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателю 6, рециркулятору 7 водорода и устройству 8 продувки водорода и предназначен для управления работой электрического генератора 1 согласно режимам, описанным далее, что обеспечивает работу батареи 2 топливных элементов в оптимальных условиях увлажнения мембраны, продлевая полезный срок ее службы и всегда подавая электрическую мощность, требуемую электрической нагрузкой.
Каждый топливный элемент 3, в принципе, включает в себя мембранно-электродный узел (МЭУ) и две биполярные пластины, которые собраны с использованием вспомогательных компонентов, таких как прокладки, насадки, пружины или стягивающие штыри для закрывания. Мембранно-электродный узел предназначен для расщепления атома водорода на протон и электрон и имеет рабочую температуру приблизительно 70°C и относительную влажность 70,5% при 70°C. Две биполярные пластины, которые работают оптимальным образом в присутствии одноосновных текучих сред, с другой стороны, выполняют функцию переноса реагентов (воздуха или кислорода, а также водорода) к мембранно-электродному узлу и служат в качестве коллекторов электрического тока.
Напряжение одиночного топливного элемента 3 является функцией электрической мощности, требуемой от самого топливного элемента 3, согласно графику, представленному на фиг. 2, где на оси ординат приведено среднее напряжение топливного элемента 3, измеренное при 60°C, в то время как на оси абсцисс приведена требуемая плотность электрического тока самого топливного элемента 3.
Благодаря последовательному электрическому соединению топливных элементов 3, напряжение, выдаваемое батареей 2 топливных элементов, представляет собой ничто иное, как сумму напряжений, выдаваемых индивидуальными топливными элементами, и показывает зависимость, аналогичную той, которая представлена на фиг. 2. Однородность распределения напряжения, выдаваемого индивидуальными топливными элементами, представляет собой ключевой параметр для эффективности и долговечности мембранно-электродных узлов.
Напряжение, выдаваемое каждым топливным элементом 3, измеряют посредством прибора 4 контроля напряжения элемента, который установлен на батарее 2 топливных элементов и снабжен специально сконструированными металлическими стержнями, соединенными с индивидуальными топливными элементами 3. Напряжение, выдаваемое каждым топливным элементом 3, измеряют с более высокой частотой, чем константы времени, типичные для явлений динамики текучих сред внутри топливного элемента 3, например каждые 20 мс.
График напряжения, создаваемого батареей 2 топливных элементов, означает, что электрическая энергия, производимая электрическим генератором 1, не является оптимальной для ее непосредственного использования электрической нагрузкой. Указанный недостаток преодолевают с помощью блока 5 регулирования и преобразования электрической энергии, который, помимо измерения электрического тока, выдаваемого батарей 2 топливных элементов, выполняет задачу заставить последнюю выдавать электрическую мощность, требуемую электрической нагрузкой, работая при этом в оптимальных условиях в течение всего срока службы батареи 2 топливных элементов в отношении напряжения и тока.
Для вышеуказанной цели в состав блока 5 регулирования и преобразования электрической энергии включены статические элементы для преобразования электрической энергии, такие как полупроводниковые приборы (диоды, MOSFET), индуктивные и емкостные реактивные сопротивления, соединенные согласно топологии вольтодобавочного и вольтовычитающего типа, т.е. способные преобразовывать электрическую энергию путем изменения ее напряжения и тока; а именно, одна из двух величин изменяется независимо, а другая изменяется в зависимости от потребности в электрической мощности. Указанную задачу можно также выполнить посредством управления мостиковым блоком (батареи или суперконденсаторы).
Что касается функции рециркулятора 7 водорода, то водород внутри батареи 2 топливных элементов можно идеально разделять на два компонента: водород, взятый из хранилища для последующего преобразования в электрическую энергию, и водород, рециркулированный для поддержания соответствующей относительной влажности внутри батареи 2 топливных элементов. В условиях полной электрической мощности эти два вклада берут в пропорции приблизительно 4:3, которая, как обнаружено экспериментально, представляет собой оптимальное соотношение. Часть рециркулированного водорода выводят из выпуска батареи 2 топливных элементов и вводят в ее впуск через рециркулятор 7 водорода, который выполняет дополнительную функцию повышения давления водорода, рециркулируемого из выпуска к впуску батареи 2 топливных элементов, как правило, от 20 до 50 мбар.
Контроллер 11 запрограммирован на: получение результатов измерений напряжения и тока, подаваемых соответственно прибором 4 контроля напряжения элемента и блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии; определение целевых эксплуатационных параметров для блока 5 регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателя 6 и рециркулятора 7 водорода на основании полученных результатов измерений и логики управления, описанной далее; и соответствующее управление блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателем 6, рециркулятором 7 водорода и устройством 8 продувки водорода таким образом, чтобы добиться заданных целевых эксплуатационных параметров.
В частности, контроллер 11 запрограммирован на осуществление различной логики управления работой электрического генератора 1, то есть в зависимости от режимов работы электрического генератора: один особый режим для запуска, один особый режим для нормальной работы, и один особый режим для останова; далее указанные режимы описаны более подробно.
1. ЗАПУСК
Запуск электрического генератора 1 представляет собой особенно важную стадию за счет так называемого «принятия нагрузки», во время которого батарея 2 топливных элементов должна выдавать электрическую мощность, требуемую электрической нагрузкой, без каких-либо проблем влажности и увлажнения топливного элемента 3. Для указанной цели контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы:
- открывать клапан 9 первичной продувки водорода и удерживать его открытым, таким образом осуществляя непрерывную первичную продувку водорода; и
- циклически открывать и закрывать клапан 10 вторичной продувки водорода, таким образом, осуществляя циклическую вторичную продувку водорода, согласно рабочему циклу, в котором, начиная с исходных величин времени закрытия и открытия клапана 10 вторичной продувки водорода, соответствующих, соответственно, 9 с и 4 с, причем время открытия увеличивается при каждом рабочем цикле на заданную величину, составляющую предпочтительно 20%, до тех пор, пока не будет подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента 3 ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение, предпочтительно 0,4 В;
напряжение топливного элемента 3 отклоняется по отношению к номинальному опорному значению, полученному экспериментально для каждого типа батареи в оптимальных условиях увлажнения, на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%; и
напряжение батареи 2 топливных элементов отклоняется по отношению к номинальному опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время, предпочтительно равное 60 с; и
от включения электрического генератора 1 прошло более длительное время, чем максимальное допустимое время, составляющее предпочтительно две минуты.
2.
НОРМАЛЬНАЯ РАБОТА
Нормальная работа электрического генератора 1 может представлять собой критическую стадию, потому что за счет моментального обезвоживания или «затопления» мембранно-электродных узлов батарея 2 топливных элементов может сама оказаться в неоптимальных условиях для подачи электрической мощности, в результате чего сокращается полезный срок службы самой батареи и, возможно, она неэффективно служит пользователю.
Соответственно, после окончания стадии запуска контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы управлять блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы, на основании электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, электрический ток, отводимый от батареи 2 топливных элементов, увеличивался с заданной скоростью увеличения, составляющей предпочтительно 10 А/с, а затем устанавливался на значение электрического тока, соответствующее электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, и, в любом случае, не выше, чем заданное максимальное значение, составляющее предпочтительно 180 A.
Кроме того, контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы:
- обнаруживать, что подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента 3 ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение, предпочтительно 0,4 В;
напряжение топливного элемента 3 отклоняется по отношению к номинальному опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%; и
напряжение батареи 2 топливных элементов отклоняется по отношению к номинальному опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, предпочтительно равное 10%, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время, составляющее предпочтительно 60 с; и
- когда подтверждено одно из вышеуказанных условий, управлять блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы электрический ток, отводимый от батареи 2 топливных элементов, уменьшался с заданной скоростью уменьшения, снова составляющей предпочтительно 10 А/с, до тех пор, пока не исчезнет обнаруженное условие. Электрическая энергия подается на электрическую нагрузку частично посредством управления мостиковым блоком.
Кроме того, контроллер 11 запрограммирован на управление рециркулятором 7 водорода, нагнетателем 6 и устройством 8 продувки водорода в зависимости от электрической мощности, выдаваемой блоком 5 регулирования и преобразования электрической энергии. В частности, когда подтверждено одно из вышеуказанных условий, контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы приводить в действие нагнетатель 6 таким образом, чтобы он подавал заданный расход воздуха выше и сверх того уровня, который нормально требуется, например, на 4% больше, и управлять клапанами 9, 10 первичной и вторичной продувки водорода, как описано в процедуре запуска.
3. ОСТАНОВ
Останов электрического генератора 1 может представлять собой критическую стадию, поскольку вода может оставаться в биполярных пластинах топливного элемента 3, что может блокировать доставку реагентов в соответствующий мембранно-электродный узел и, таким образом, препятствовать приведению топливного элемента 3 в состояние низкой влажности, необходимое для обеспечения возможности последующего запуска электрического генератора 1.
Для предотвращения этой проблемы контроллер 11 запрограммирован на то, чтобы:
- ожидать охлаждения батареи 2 топливных элементов до температуры, традиционно установленной на 20°C, ускорять выделение накопленного тепла с помощью систем принудительного охлаждения;
- в конце охлаждения приводить в действие нагнетатель 6 для удаления воды, сконденсировавшейся во время охлаждения; и
- открывать клапан 9 первичной продувки водорода и удерживать его открытым, таким образом осуществляя непрерывную первичную продувку водорода.
Согласно исследованию характеристик резервного электрического генератора по настоящему изобретению с батареей топливных ПОМ-элементов, он обладает очевидными преимуществами перед известными электрическими генераторами того же типа. В частности, он не только обеспечивает повышенную эффективность и надежность по сравнению с известными электрическими генераторами того же типа, но и допускает непосредственное вмешательство оператора в случае критической ситуации, обнаруженной надлежащим образом.
Наконец, очевидно, что возможно внесение модификаций и изменений в описанный и проиллюстрированный резервный электрический генератор с батареей топливных ПОМ-элементов, без отклонения от объема охраны настоящего изобретения, определяемого в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, минимальное допустимое напряжение, максимальное допустимое отклонение, максимальное допустимое время, скорости увеличения и уменьшения отводимого электрического тока и максимальный ток, которые могут быть достигнуты, могут принимать значения, отличные от указанных ранее значений.
Claims (6)
1. Резервный электрический генератор (1) с батареей топливных элементов с протообменной мембраной (ПОМ-элементов), включающий в себя:
- батарею (2) топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов (3), электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку;
- прибор (4) контроля напряжения элемента для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом (3);
- блок (5) регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батареей (2) топливных элементов и электрической нагрузкой;
- нагнетатель (6) для подачи количества воздуха, необходимого для химических реакций, которые происходят в топливных элементах (3);
- рециркулятор (7) водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи (2) топливных элементов;
- устройство (8) продувки водорода, предназначенное для осуществления первичной продувки водорода при меньшем расходе и вторичной продувки водорода при большем расходе; и
- контроллер (11), который присоединен к прибору (4) контроля напряжения элемента, блоку (5) регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателю (6), рециркулятору (7) водорода и устройству (8) продувки водорода и предназначен для управления работой электрического генератора (1) по-разному при запуске, при останове и во время его нормальной работы,
причем упомянутый генератор отличается тем, что упомянутый контроллер (11) дополнительно предназначен для управления запуском электрического генератора (1) путем выполнения следующих операций:
- управление устройством (8) продувки таким образом, чтобы осуществлять непрерывную первичную продувку водорода; и
- управление устройством (8) продувки таким образом, чтобы осуществлять циклическую вторичную продувку водорода согласно рабочему циклу, в котором, начиная с заданного исходного значения, время продувки увеличивается на заданную величину при каждом рабочем цикле до тех пор, пока не будет подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента (3) ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение;
напряжение топливного элемента (3) отклоняется по отношению к опорным значениям на большую величину, чем заданное максимальное допустимое отклонение;
напряжение батареи (2) топливных элементов отклоняется по отношению к опорным значениям на большую величину, чем заданное максимальное допустимое отклонение, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время; и
от включения электрического генератора (1) прошло более длительное время, чем максимальное допустимое время.
- батарею (2) топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов (3), электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку;
- прибор (4) контроля напряжения элемента для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом (3);
- блок (5) регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батареей (2) топливных элементов и электрической нагрузкой;
- нагнетатель (6) для подачи количества воздуха, необходимого для химических реакций, которые происходят в топливных элементах (3);
- рециркулятор (7) водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи (2) топливных элементов;
- устройство (8) продувки водорода, предназначенное для осуществления первичной продувки водорода при меньшем расходе и вторичной продувки водорода при большем расходе; и
- контроллер (11), который присоединен к прибору (4) контроля напряжения элемента, блоку (5) регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателю (6), рециркулятору (7) водорода и устройству (8) продувки водорода и предназначен для управления работой электрического генератора (1) по-разному при запуске, при останове и во время его нормальной работы,
причем упомянутый генератор отличается тем, что упомянутый контроллер (11) дополнительно предназначен для управления запуском электрического генератора (1) путем выполнения следующих операций:
- управление устройством (8) продувки таким образом, чтобы осуществлять непрерывную первичную продувку водорода; и
- управление устройством (8) продувки таким образом, чтобы осуществлять циклическую вторичную продувку водорода согласно рабочему циклу, в котором, начиная с заданного исходного значения, время продувки увеличивается на заданную величину при каждом рабочем цикле до тех пор, пока не будет подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента (3) ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение;
напряжение топливного элемента (3) отклоняется по отношению к опорным значениям на большую величину, чем заданное максимальное допустимое отклонение;
напряжение батареи (2) топливных элементов отклоняется по отношению к опорным значениям на большую величину, чем заданное максимальное допустимое отклонение, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время; и
от включения электрического генератора (1) прошло более длительное время, чем максимальное допустимое время.
2. Электрический генератор по п. 1, при этом контроллер (11) дополнительно предназначен для:
- получения результатов измерений напряжения и тока, подаваемых прибором (4) контроля напряжения элемента и блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии;
- определения целевых эксплуатационных параметров для блока (5) регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателя (6) и рециркулятора (7) водорода на основании полученных результатов измерений и логики управления; и
- управления блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателем (6), рециркулятором (7) водорода и устройством (8) продувки водорода таким образом, чтобы добиться упомянутых заданных целевых эксплуатационных параметров.
- получения результатов измерений напряжения и тока, подаваемых прибором (4) контроля напряжения элемента и блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии;
- определения целевых эксплуатационных параметров для блока (5) регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателя (6) и рециркулятора (7) водорода на основании полученных результатов измерений и логики управления; и
- управления блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии, нагнетателем (6), рециркулятором (7) водорода и устройством (8) продувки водорода таким образом, чтобы добиться упомянутых заданных целевых эксплуатационных параметров.
3. Электрический генератор по п. 1, при этом контроллер (11) дополнительно предназначен для управления остановом электрического генератора (1) путем выполнения следующих операций:
- ожидание охлаждения батареи (2) топливных элементов до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура;
- в конце охлаждения приведение в действие нагнетателя (6) таким образом, чтобы удалить воду, сконденсировавшуюся во время охлаждения; и
- управление устройством (8) продувки водорода таким образом, чтобы обеспечить непрерывную первичную продувку водорода.
- ожидание охлаждения батареи (2) топливных элементов до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура;
- в конце охлаждения приведение в действие нагнетателя (6) таким образом, чтобы удалить воду, сконденсировавшуюся во время охлаждения; и
- управление устройством (8) продувки водорода таким образом, чтобы обеспечить непрерывную первичную продувку водорода.
4. Электрический генератор по любому из предыдущих пунктов, при этом контроллер (11) дополнительно предназначен для управления нормальной работой электрического генератора (1) путем выполнения следующих операций:
- управление блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы, на основании электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, электрический ток, отводимый от батареи (2) топливных элементов, увеличивался с заданной скоростью увеличения до установления значения тока, соответствующего электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, и не большего, чем заданный максимальный ток.
- управление блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы, на основании электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, электрический ток, отводимый от батареи (2) топливных элементов, увеличивался с заданной скоростью увеличения до установления значения тока, соответствующего электрической мощности, требуемой электрической нагрузкой, и не большего, чем заданный максимальный ток.
5. Электрический генератор по п. 4, при этом контроллер (11) дополнительно предназначен для управления нормальной работой электрического генератора (1) путем выполнения следующих операций:
- обнаружение того, что подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента (3) ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение;
напряжение топливного элемента (3) отклоняется по отношению к опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение; и
напряжение батареи (2) топливных элементов отклоняется по отношению к опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время; и
- когда одно из предыдущих условий подтверждено, управление блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы электрический ток, отводимый от батареи (2) топливных элементов, уменьшался с заданной скоростью уменьшения до тех пор, пока не исчезнет обнаруженное условие.
- обнаружение того, что подтверждено одно из следующих условий:
напряжение топливного элемента (3) ниже, чем заданное минимальное допустимое напряжение;
напряжение топливного элемента (3) отклоняется по отношению к опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение; и
напряжение батареи (2) топливных элементов отклоняется по отношению к опорному значению на большую величину, чем максимальное допустимое отклонение, в течение более длительного времени, чем максимальное допустимое время; и
- когда одно из предыдущих условий подтверждено, управление блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии таким образом, чтобы электрический ток, отводимый от батареи (2) топливных элементов, уменьшался с заданной скоростью уменьшения до тех пор, пока не исчезнет обнаруженное условие.
6. Электрический генератор по п. 4, при этом контроллер (11) дополнительно предназначен для управления нормальной работой электрического генератора (1) путем выполнения следующих операций:
- управление рециркулятором (7) водорода в зависимости от электрической мощности, выдаваемой блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии; и
- когда подтверждено одно из предыдущих условий:
- управление нагнетателем (6) таким образом, чтобы он подавал заданный расход воздуха выше и сверх того, который нормально требуется; и
- управление устройством (8) продувки водорода таким образом, чтобы обеспечивать первичную продувку водорода и вторичную продувку водорода, как заявлено в п. 3.
- управление рециркулятором (7) водорода в зависимости от электрической мощности, выдаваемой блоком (5) регулирования и преобразования электрической энергии; и
- когда подтверждено одно из предыдущих условий:
- управление нагнетателем (6) таким образом, чтобы он подавал заданный расход воздуха выше и сверх того, который нормально требуется; и
- управление устройством (8) продувки водорода таким образом, чтобы обеспечивать первичную продувку водорода и вторичную продувку водорода, как заявлено в п. 3.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITTO2009A001026 | 2009-12-22 | ||
| IT001026A ITTO20091026A1 (it) | 2009-12-22 | 2009-12-22 | Gestione del funzionamento di un generatore elettrico di back-up a celle a combustibile pem impilate |
| PCT/IB2010/003320 WO2011077229A1 (en) | 2009-12-22 | 2010-12-21 | Management of operation of a pem -fuel -cell -stack backup electric generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012131156A RU2012131156A (ru) | 2014-01-27 |
| RU2598361C2 true RU2598361C2 (ru) | 2016-09-20 |
Family
ID=42319994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012131156/07A RU2598361C2 (ru) | 2009-12-22 | 2010-12-21 | Управление работой резервного электрического генератора с батареей топливных пом-элементов |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9419292B2 (ru) |
| EP (1) | EP2517293B1 (ru) |
| JP (1) | JP2013515342A (ru) |
| KR (1) | KR101757495B1 (ru) |
| CN (1) | CN102668211B (ru) |
| BR (1) | BR112012015375A2 (ru) |
| CA (1) | CA2784867C (ru) |
| IT (1) | ITTO20091026A1 (ru) |
| MX (1) | MX2012007317A (ru) |
| RU (1) | RU2598361C2 (ru) |
| WO (1) | WO2011077229A1 (ru) |
| ZA (1) | ZA201205417B (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2692464C1 (ru) * | 2017-10-20 | 2019-06-25 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Система топливных элементов и способ управления системой топливных элементов |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111193048A (zh) | 2012-04-02 | 2020-05-22 | 水吉能公司 | 燃料电池模块及其启动、关闭和重新启动的方法 |
| US10084196B2 (en) | 2012-05-04 | 2018-09-25 | Hydrogenics Corporation | System and method for controlling fuel cell module |
| US9368814B2 (en) * | 2012-05-04 | 2016-06-14 | Hydrogenics Corporation | System and method for controlling fuel cell module |
| US11309556B2 (en) | 2013-10-02 | 2022-04-19 | Hydrogenics Corporation | Fast starting fuel cell |
| US10181610B2 (en) | 2013-10-02 | 2019-01-15 | Hydrogenics Corporation | Fast starting fuel cell |
| KR101619586B1 (ko) * | 2014-04-23 | 2016-05-11 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 정비용 잔존수소 제거 장치 |
| CN107492672B (zh) * | 2016-06-13 | 2020-01-17 | 成都天高机电设备有限公司 | 一种氢能汽车上专用的氢能压力发电设备 |
| CN106532080B (zh) * | 2016-12-15 | 2023-06-30 | 新源动力股份有限公司 | 一种具备寿命管理单元的燃料电池用连接模块及燃料电池 |
| JP6861548B2 (ja) * | 2017-03-23 | 2021-04-21 | 大阪瓦斯株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 |
| CN109256573B (zh) * | 2018-10-24 | 2023-05-26 | 天津中德应用技术大学 | 用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置 |
| CN109768306A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-05-17 | 武汉理工大学 | 一种燃料电池电堆可逆电压降快速在线恢复的方法 |
| CN110224161A (zh) * | 2019-06-06 | 2019-09-10 | 珠海格力电器股份有限公司 | 燃料电池系统 |
| AT522484B1 (de) * | 2019-07-02 | 2020-11-15 | Avl List Gmbh | SOEC-System und Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems |
| CN111063920B (zh) * | 2019-12-30 | 2020-12-01 | 新源动力股份有限公司 | 一种燃料电池电堆流体分配一致性检测方法 |
| CN112366808A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-02-12 | 宝武清洁能源有限公司 | 一种用于互联网数据中心的备用供电系统 |
| CN114464845B (zh) * | 2022-01-21 | 2024-05-10 | 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 | 一种燃料电池系统开机吹扫方法 |
| CN114914494B (zh) * | 2022-06-27 | 2023-11-10 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种用于燃料电池电堆的耐久性控制方法及装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2188480C2 (ru) * | 2000-05-29 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Устройство для эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем и способ эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем |
| WO2004027912A2 (en) * | 2002-09-23 | 2004-04-01 | Hydrogenics Corporation | A fuel cell system and method of operating the same |
| US20050244686A1 (en) * | 2002-12-03 | 2005-11-03 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| EP1826852A1 (en) * | 2004-11-26 | 2007-08-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | Controller of fuel cell system |
| US20090214909A1 (en) * | 2004-09-03 | 2009-08-27 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994003937A1 (de) | 1992-08-10 | 1994-02-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Brennstoffzelle und verfahren zur befeuchtung des elektrolyten |
| ITMI991090A1 (it) * | 1999-05-18 | 2000-11-18 | De Nora Spa | Dispositivo di umidificazione per celle a combustibile a membrana polimerica |
| US6861167B2 (en) | 2001-07-25 | 2005-03-01 | Ballard Power Systems Inc. | Fuel cell resuscitation method and apparatus |
| US7282287B2 (en) * | 2004-11-24 | 2007-10-16 | Utc Power Corporation | Purging water with reactant air pump powered by operational fuel cell system during shutdown |
| KR101113651B1 (ko) * | 2009-08-31 | 2012-02-15 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량의 수소 배기 장치 |
-
2009
- 2009-12-22 IT IT001026A patent/ITTO20091026A1/it unknown
-
2010
- 2010-12-21 KR KR1020127018323A patent/KR101757495B1/ko active IP Right Grant
- 2010-12-21 CN CN201080059180.0A patent/CN102668211B/zh active Active
- 2010-12-21 MX MX2012007317A patent/MX2012007317A/es active IP Right Grant
- 2010-12-21 RU RU2012131156/07A patent/RU2598361C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2010-12-21 JP JP2012545463A patent/JP2013515342A/ja not_active Withdrawn
- 2010-12-21 WO PCT/IB2010/003320 patent/WO2011077229A1/en active Application Filing
- 2010-12-21 CA CA2784867A patent/CA2784867C/en active Active
- 2010-12-21 US US13/518,002 patent/US9419292B2/en active Active
- 2010-12-21 BR BR112012015375A patent/BR112012015375A2/pt not_active IP Right Cessation
- 2010-12-21 EP EP10812899.2A patent/EP2517293B1/en active Active
-
2012
- 2012-07-19 ZA ZA2012/05417A patent/ZA201205417B/en unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2188480C2 (ru) * | 2000-05-29 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Устройство для эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем и способ эксплуатации электрохимического генератора с дожигателем |
| WO2004027912A2 (en) * | 2002-09-23 | 2004-04-01 | Hydrogenics Corporation | A fuel cell system and method of operating the same |
| US20050244686A1 (en) * | 2002-12-03 | 2005-11-03 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| US20090214909A1 (en) * | 2004-09-03 | 2009-08-27 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| EP1826852A1 (en) * | 2004-11-26 | 2007-08-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | Controller of fuel cell system |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2692464C1 (ru) * | 2017-10-20 | 2019-06-25 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Система топливных элементов и способ управления системой топливных элементов |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102668211B (zh) | 2016-01-20 |
| CN102668211A (zh) | 2012-09-12 |
| KR101757495B1 (ko) | 2017-07-26 |
| ZA201205417B (en) | 2013-05-29 |
| WO2011077229A1 (en) | 2011-06-30 |
| US9419292B2 (en) | 2016-08-16 |
| EP2517293A1 (en) | 2012-10-31 |
| US20120258376A1 (en) | 2012-10-11 |
| EP2517293B1 (en) | 2014-05-14 |
| JP2013515342A (ja) | 2013-05-02 |
| CA2784867C (en) | 2017-11-28 |
| RU2012131156A (ru) | 2014-01-27 |
| BR112012015375A2 (pt) | 2017-09-12 |
| CA2784867A1 (en) | 2011-06-30 |
| KR20120102774A (ko) | 2012-09-18 |
| MX2012007317A (es) | 2012-07-20 |
| ITTO20091026A1 (it) | 2011-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2598361C2 (ru) | Управление работой резервного электрического генератора с батареей топливных пом-элементов | |
| US9306231B2 (en) | Back-up fuel cell electric generator comprising a compact manifold body, and methods of managing the operation thereof | |
| US20060263652A1 (en) | Fuel cell system relative humidity control | |
| CN108832159A (zh) | 一种燃料电池控制系统及控制方法 | |
| Alizadeh et al. | The experimental analysis of a dead-end H2/O2 PEM fuel cell stack with cascade type design | |
| JP2006351506A (ja) | 燃料電池システム | |
| KR20170001192A (ko) | 연료전지 시스템의 운전압력 제어 방법 | |
| US20130260266A1 (en) | Fast mea break-in and voltage recovery | |
| US20100233554A1 (en) | Fuel cell system and operating method thereof | |
| EP2375484B1 (en) | Operating method of fuel cell system | |
| WO2009113305A1 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
| KR101423853B1 (ko) | 연료 전지 시스템 | |
| US20080292928A1 (en) | Method for purging pem-type fuel cells | |
| JP2006172935A (ja) | 燃料電池システム及びその制御方法 | |
| JP2010192292A (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
| Alizadeh et al. | Experimental Study on a 1000W Dead-End H | |
| JP2023184385A (ja) | 燃料電池システムおよびそのパージ制御方法 | |
| Pien et al. | Advanced Integrated Flow Field (IFF) Design for High Performance Fuel Cell and Electrolyzer | |
| EP2017915A1 (en) | Self-humidifying PEM-fuel-cell-based back-up electric generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171222 |