энергоустановка на основе топливных элементов и способ управления энергоустановкой

Формула изобретения

1. Энергоустановка, содержащая батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, регулирующий клапан и систему управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи топливных элементов и преобразователя напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана, выход генератора водорода соединен с входом водородной полости батареи топливных элементов, к выходу водородной полости подключен регулирующий клапан, отличающаяся тем, что регулирующий клапан выполнен с двумя уровнями P₁ и Р₂ давления срабатывания, причем P₂>P ₁ и первому уровню P₁ соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню Р₂ - режим аварийного стравливания водорода при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах в рабочем режиме, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления регулирующим клапаном, выполненный с возможностью реализации следующей функции:

А=1 при U>U₁,

А=0 при U<U ₂,

где А=0 - сигнал перевода регулирующего клапана в положение «Продувка»;

А=1 - сигнал перевода регулирующего клапана в положение «Работа»;

U - напряжение на выходе преобразователя напряжения;

U₁, U ₂ - напряжение переключения клапана, причем U ₁>U₂.

2. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что на входе в водородную полость батареи топливных элементов установлен вентилятор, входы питания которого соединены с выходами системы управления режимами работы энергоустановки, причем система управления содержит блок управления вентилятором.

3. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь напряжения снабжен входом включения/выключения, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления включением и выключением преобразователя напряжения.

4. Способ управления энергоустановкой, заключающийся в том, что при уменьшении напряжения на выходе энергоустановки ниже уровня U₂ осуществляют переключение регулирующего клапана в положение «Продувка» с давлением срабатывания P₁, продувают водородную полость избыточным расходом водорода, и при увеличении напряжения на выходе энергоустановки выше уровня U ₁ переключают регулирующий клапан в положение «Работа» с давлением срабатывания P₂, при котором водород аварийно стравливают при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах, причем Р₂ >Р₁.

5. Способ управления энергоустановкой по п.4, отличающийся тем, что в водородную полость дополнительно подают воздух при снижении напряжения на батарее топливных элементов.

6. Способ управления энергоустановкой по п.5, отличающийся тем, что при включении регулирующего клапана в положение «Продувка» на время, больше заданного, преобразователь напряжения включают и выключают с заданной частотой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, и может найти применение при создании автономных источников питания в широком диапазоне мощностей.

Известна энергоустановка на основе топливных элементов, содержащая батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, электромагнитный клапан и систему управления (Патент США 6979504).

Известен способ управления энергоустановкой, содержащей батарею топливных элементов, заключающийся в том, что напряжение энергоустановки стабилизируют на заданном уровне при помощи преобразователя напряжения, а водородную полость батареи топливных элементов периодически продувают избыточным давлением на выходе генератора водорода для удаления продуктов реакции, образовавшихся вследствие не идеальной чистоты водорода (Патент США 6979504).

В известных энергоустановке и способе управления не обеспечивается оптимальное управление режимами работы батареи топливных элементов, так как время и продолжительность включения режима продувки водородной полости не зависит от концентрации продуктов реакции, образующихся вследствие не идеальной чистоты водорода. Кроме того, количество воздуха, подаваемого в воздушную полость батареи топливных элементов, не зависит от мощности нагрузки, что приводит к ухудшению вольтамперных характеристик. Не обеспечивается также высокочастотного импульсного режима энергоустановки, при котором за счет высокочастотного импульсного отбора мощности в результате неравновесных термодинамических процессов улучшаются вольтамперные и другие эксплуатационные характеристики топливных элементов.

Технический результат заключается в улучшении вольтамперных характеристик энергоустановки.

Указанный технический результат достигается тем, что энергоустановка содержит батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, регулирующий клапан и систему управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи топливных элементов и преобразователя напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана, выход генератора водорода соединен с входом водородной полости батареи топливных элементов, к выходу водородной полости подключен регулирующий клапан, согласно изобретению регулирующий клапан выполнен с двумя уровнями Р₁ и Р ₂ давления срабатывания, причем Р₂ >Р₁, первому уровню P ₁ соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню P₂ - режим аварийного стравливания водорода при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах в рабочем режиме, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления регулирующим клапаном, выполненным с возможностью реализации следующей функции:

А=1 при U>U₁ ,

А=0 при U<U₂,

где A=0 сигнал перевода регулирующего клапана в положение «Продувка»;

А=1 сигнал перевода регулирующего клапана в положение «Работа»;

U - напряжение на выходе преобразователя напряжения;

U₁, U₂ - напряжение переключения клапана, причем U₁>U ₂.

На входе в водородную полость батареи топливных элементов может быть установлен вентилятор, входы питания которого соединены с выходами системы управления режимами работы энергоустановки, причем система управления содержит блок управления вентилятором.

Преобразователь напряжения может быть снабжен входом включения/выключения, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления включением и выключением преобразователя напряжения.

Технический результат достигается также тем, что в способе управления энергоустановкой при уменьшении напряжения на выходе энергоустановки ниже уровня U₂ осуществляют переключение регулирующего клапана в положение «Продувка» с давлением срабатывания Р₁, продувают водородную полость избыточным расходом водорода и при увеличении напряжения на выходе энергоустановки выше уровня U₁ переключают регулирующий клапан в положение «Работа» с давлением срабатывания Р₂, при котором водород аварийно стравливают при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах, причем Р₂>Р₁.

В водородную полость дополнительно можно подавать воздух при снижении напряжения на батарее топливных элементов.

При включении регулирующего клапан в положение «Продувка» на время больше заданного преобразователь напряжения включают и выключают с заданной частотой.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже приведена схема энергоустановки на основе топливных элементов.

Энергоустановка на основе топливных элементов содержит батарею 1 топливных элементов, генератор 2 водорода, преобразователь 3 напряжения, регулирующий клапан 4 и систему 5 управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи 1 топливных элементов и преобразователя 3 напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана 4. Выход генератора 2 водорода соединен с входом водородной полости батареи 1 топливных элементов. К выходу водородной полости подключен регулирующий клапан 4, имеющий два уровня P₁ и Р ₂ давления срабатывания, причем Р₂ >P₁. Первому уровню P ₁ соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню - режим аварийного стравливания водорода при неисправностях генератора 2 водорода или при переходных процессах в режиме работы.

Система 5 управления режимами работы энергоустановки содержит блок 6 управления регулирующим клапаном 4, выполненный с возможностью реализации следующей функции:

А=1 при U>U₁,

А=0 при U<U ₂,

где A=0 сигнал перевода регулирующего клапана 4 в положение «Продувка» с давлением срабатывания регулирующего клапана P₁;

А=1 сигнал перевода регулирующего клапана 4 в положение «Работа» с давлением срабатывания регулирующего клапана P₂;

U - напряжение на выходе преобразователя 3 напряжения;

U₁, U₂ - напряжение задания переключения клапана 4, причем U₁>U₂ .

На входе в воздушную полость батареи 1 топливных элементов может быть установлен вентилятор 7, входы питания которого соединены с выходами системы 5 управления режимами работы энергоустановки, которая содержит блок 8 управления вентилятором, вход которого образует вход измерения системы управления, который соединен с выходными выводами батареи топливных элементов.

Преобразователь 3 напряжения снабжен входом включения/выключения, а система 5 управления режимами работы энергоустановки содержит блок 9 управления включением и выключением преобразователя 3 напряжения, вход которого образует измерительный вход системы управления, который соединен с выходом преобразователя напряжения.

Энергоустановка работает следующим образом.

В процессе работы энергоустановки на основе топливных элементов вследствие не идеальной чистоты водорода образуются продукты реакции, которые приводят к ухудшению вольтамперных характеристик. Вследствие повышенной концентрации вредных продуктов реакции уменьшается напряжение на зажимах батареи топливных элементов. При снижении напряжения на входе преобразователя напряжения начинается уменьшение напряжения на его выходе.

При снижении напряжения на выходе преобразователя напряжения ниже заданного уровня U ₂ система управления формирует сигнал А=0 на переключение регулирующего клапана в режим продувки с давлением срабатывания Р₁, в течение которого вредные продукты реакции удаляются из водородной полости. Напряжение батареи топливных элементов увеличивается, и при достижении заданного значения U₁ система управления 5 посредством блока 6 управления регулирующим клапаном формирует сигнал на прекращение режима продувки А=1, регулирующий клапан 4 переключается в положение «Работа» с давлением срабатывания Р₂. В рабочем режиме из-за неисправности генератора водорода или при переходных процессах может повыситься давление в водородной полости. При достижении уровня давления Р₂ происходит стравливание водорода.

Если режим продувки длится больше заданного времени, то блок 9 формирует сигнал на отключение преобразователя 3 напряжения, то есть отключается нагрузка. Напряжение на выходе батареи топливных элементов увеличивается, но не достигает уровня U₁, и преобразователь 3 напряжения снова включается. Возникает звонковый режим включения и отключения преобразователя 3 напряжения с заданной частотой, при котором обеспечивается импульсный отбор мощности от батареи топливных элементов. В результате неравновесных термодинамических процессов улучшаются вольтамперные характеристики топливных элементов.

Измерительные входы системы управления соединены с выводами батареи 1 топливных элементов. Чем больше нагрузка источника питания, тем больше ток, отдаваемый батареей 1 топливных элементов и ниже напряжение на ее выводах. Система управления 5 посредством блока 8 управления вентилятором 7 обеспечивает такой расход воздуха, при котором обеспечивается оптимальный режим работы топливных элементов. При этом расход воздуха увеличивается по заданному закону при уменьшении напряжения на батареи 1 топливных элементов, что соответствует увеличению нагрузки.

Регулирующий клапан 4 выполнен по принципу поляризованного реле и имеет два положения. Каждому положению соответствует свой уровень давления, при котором клапан начинает стравливать водород. Причем низкий уровень давления соответствует рабочему давлению в водородной полости, при котором обеспечивается режим «Продувка». Более высокому уровню давления соответствует режим аварийного повышения давления. В режиме «Работа» клапан 4 закрыт, а открывается только при аварийном увеличении давления при неисправности генератора 2 водорода или при переходных процессах.

Так же как в поляризованном реле, переключение клапана 4 из одного положения в другое обеспечивается подачей импульса напряжения малой длительности на обмотку управления клапана 4. Таким образом, экономится энергия, необходимая для управления клапаном 4, что очень важно при использовании энергоустановки в портативной аппаратуре (например, в зарядном устройстве мобильного телефона).

В мощных энергоустановках регулирующий клапан 4 может быть выполнен по принципу обычного реле. Когда нет напряжения на обмотке управления, он закрыт. Когда необходим режим «Продувка», то на обмотку управления клапаном подается напряжение в течение длительности этого режима.

Регулируемый клапан 4 может содержать две пружины, сжимающие с различными усилиями в разных режимах диафрагму и седло клапана. Короткий импульс напряжения, подаваемый в обмотку управления, обеспечивает действие одной или другой пружины.

Регулирующий клапан 4 может содержать пьезоэлектрический исполнительный механизм. При этом клапан запирается при подаче на выводы пьезоэлектрического исполнительного механизма короткого импульса напряжения одной полярности и открывается при подаче короткого импульса напряжения другой полярности. Пьезоэлектрический исполнительный механизм, имеющий эффект «памяти», запоминает и сохраняет необходимое усилие после снятия напряжения. Диафрагма и седло клапана могут быть выполнены из силиконовых пластинок. Для портативной аппаратуры такой принцип действия и конструкция обеспечивают возможность изготовление микроклапана, химически стабильного в водородной среде и отвечающего жестким требованиям герметичности при минимальных затратах энергии на его управление.

В предлагаемом изобретении система управления обнаруживает ухудшение вольтамперных характеристик вследствие повышенной концентрации вредных продуктов реакции и/или избыточной или недостаточной подачи воздуха и обеспечивает оптимальные время и продолжительность режима продувки и требуемый расход воздуха. Улучшение вольтамперных характеристик обеспечивается также реализацией звонкового режима преобразователя напряжения, при котором за счет высокочастотного импульсного отбора мощности в результате неравновесных термодинамических процессов улучшаются вольтамперные характеристики топливных элементов.