RU2722751C1

RU2722751C1 - Power plant with fuel cell for arctic zone

Info

Publication number: RU2722751C1
Application number: RU2019140480A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Фатеев; Георгий Николаевич Волощенко; Наталья Анатольевна Иванова
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-06-03

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and specifically to devices for generating electric power by direct conversion of fuel (hydrogen) energy, and can be used in conditions of arctic operating zone at sharply negative ambient temperatures. Power plant with fuel element contains catalytic recombiner and bubbler, at that inlet of catalytic recombiner is connected via dosing valves with air blower and hydrogen source, output of catalytic recombiner is connected to inlet of bubbler, and output of bubbler is connected through dosing valves with hydrogen and air inputs of fuel element.

EFFECT: technical result of the invention is higher reliability of the power plant operation due to prevention of frost formation at start-up of methanol fuel element.

1 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к устройствам для получения электроэнергии прямым преобразованием энергии топлива (водорода) и может быть использовано в условиях арктической зоны эксплуатации при резко отрицательных температурах окружающей среды.The invention relates to devices for generating electricity by direct conversion of energy of fuel (hydrogen) and can be used in the conditions of the Arctic zone of operation at sharply negative ambient temperatures.

Уровень техникиState of the art

Известны энергоустановки с. топливными элементами, предназначенные для работы в условиях низких температур (например, патент США №6103410A). Однако, их использование в арктических условиях представляется сложным из-за блокирования каталитической поверхности электродов образующейся ледяной коркой при окислении смеси воздуха с водородом внутри топливного элемента.Known power plants with. fuel cells designed to operate at low temperatures (for example, US patent No. 6103410A). However, their use in arctic conditions is difficult due to the blocking of the catalytic surface of the electrodes by the formation of an ice crust during the oxidation of a mixture of air and hydrogen inside a fuel cell.

Известна энергоустановка с топливным элементом по заявке ЕР 1113516 А1 (оп. 04.07.2001 Bulletin 2001/27), предусматривающая возможность холодного пуска, принятая за прототип, содержащая твердополимерный топливный элемент, источник водорода, воздуходувку, увлажнитель, регуляторы давления, дозаторы. Как следует из описания заявки, разогрев энергоустановки должен происходить за счет тепла, выделяющегося при рекомбинации водорода и кислорода на поверхности электродов при добавлении в период пуска воздуха в поток водорода, и водорода в поток воздуха. Однако при арктических температурах образующаяся при рекомбинации вода сразу же будет образовывать пленку льда на поверхности электродов и, следовательно, блокировать дальнейший процесс рекомбинации. Следовательно, недостатком прототипа является использование электродов топливного элемента в качестве источника стартового нагрева, препятствующее использованию энергоустановки при резко отрицательных (арктических) температурах.Known power plant with a fuel cell according to the application EP 1113516 A1 (op. 04.07.2001 Bulletin 2001/27), providing for the possibility of cold start, adopted as a prototype, containing solid polymer fuel cell, hydrogen source, blower, humidifier, pressure regulators, dispensers. As follows from the description of the application, the heating of the power plant should occur due to the heat generated during the recombination of hydrogen and oxygen on the surface of the electrodes when hydrogen is added to the air stream during the start-up of the air, and hydrogen to the air stream. However, at arctic temperatures, the water generated by recombination will immediately form an ice film on the surface of the electrodes and, therefore, block the further recombination process. Therefore, the disadvantage of the prototype is the use of fuel cell electrodes as a source of starting heating, which prevents the use of power plants at sharply negative (arctic) temperatures.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик энергоустановки, заключающееся в ее эффективном использовании при резко отрицательных температурах окружающей среды, характерных для арктических регионов, что позволяет применять ее в качестве автономного источника питания для районов Крайнего Севера.The technical result of the claimed invention is to improve the operational characteristics of a power plant, which consists in its effective use at sharply negative ambient temperatures characteristic of the Arctic regions, which allows it to be used as an autonomous power source for regions of the Far North.

Технический результат достигается тем, что энергетическая установка с топливным элементом дополнительно содержит каталитический рекомбинатор и барботер, вход каталитического рекомбинатора соединен через краны-дозаторы с воздуходувкой и источником водорода, выход каталитического рекомбинатора соединен со входом барботера, а выход барботера соединен через краны-дозаторы с водородным и воздушным входами топливного элемента.The technical result is achieved in that the power plant with a fuel cell further comprises a catalytic recombiner and a bubbler, the input of the catalytic recombiner is connected via metering valves to the blower and a hydrogen source, the output of the catalytic recombiner is connected to the input of the bubbler, and the output of the bubbler is connected through metering valves to the hydrogen and air inlets of the fuel cell.

Краткое описание графических материаловA brief description of the graphic materials

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by a figure, which shows the following:

1 - топливный элемент,1 - fuel cell

2 - емкость с водородом,2 - capacity with hydrogen,

3 - воздуходувка,3 - blower

4 - увлажнитель,4 - humidifier,

5 - регулятор давления,5 - pressure regulator,

6 - каталитический рекомбинатор,6 - catalytic recombiner,

7 - барботер,7 - bubbler,

8÷13- кран-дозатор.8 ÷ 13- dispensing tap.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Энергетическая установка с топливным элементом содержит твердополимерный топливный элемент 1, источник водорода 2, воздуходувку 3, увлажнитель 4, регуляторы давления 5, краны-дозаторы 8-13, а также каталитический рекомбинатор 6 и барботер 7, причем вход каталитического рекомбинатора 6 соединен через краны-дозаторы 10 и 11 с воздуходувкой 3 и источником водорода 2, выход каталитического рекомбинатора 6 соединен со входом барботера 7, а выход барботера 7 соединен через краны-дозаторы 12 и 13 с водородным и воздушным входами топливного элемента 1.A power plant with a fuel cell contains a solid polymer fuel cell 1, a hydrogen source 2, a blower 3, a humidifier 4, pressure regulators 5, metering valves 8-13, as well as a catalytic recombiner 6 and a bubbler 7, and the input of the catalytic recombiner 6 is connected through taps dispensers 10 and 11 with a blower 3 and a hydrogen source 2, the output of the catalytic recombiner 6 is connected to the input of the bubbler 7, and the output of the bubbler 7 is connected via metering valves 12 and 13 to the hydrogen and air inputs of the fuel element 1.

Заявленная Энергетическая установка с топливным элементом работает следующим образом. При холодном запуске краны-дозаторы 8 и 9 закрыты, открыты краны-дозаторы 10, 11, 12 и 13. Водород из источника водорода 2 и воздух от воздуходувки 3 в заданной пропорции подаются в каталитический рекомбинатор 6, где рекомбинируют с выделением тепла и образованием водяного пара. Полученная нагретая смесь поступает в барботер 7, наполненный метанолом, который поглощает водяной пар, осушая нагретый воздух для предотвращения образования наледи внутри топливного элемента 1. Осушенный нагретый воздух через краны-дозаторы 12 и 13 поступает в анодные и катодные пространства топливного элемента 1, постепенно нагревая его. Через некоторый промежуток времени возрастающая температура топливного элемента и всей энергоустановки в целом достигает уровня, при котором возможно протекание токообразующей реакции, краны-дозаторы 10, 11, 12 и 13 закрываются и открываются краны-дозаторы 8 и 9, водород и воздух начинают подаваться в анодные и катодные пространства топливного элемента 1, на электродах возникает напряжение и топливный элемент начинает работу. Выделяющееся при этом тепло поддерживает достигнутую положительную температуру энергоустановки.The claimed power plant with a fuel cell operates as follows. During a cold start, the metering valves 8 and 9 are closed, the metering valves 10, 11, 12 and 13 are open. Hydrogen from the hydrogen source 2 and air from the blower 3 are supplied in a predetermined proportion to the catalytic recombiner 6, where they recombine with the release of heat and the formation of water couple. The obtained heated mixture enters a bubbler 7 filled with methanol, which absorbs water vapor, draining the heated air to prevent the formation of ice inside the fuel element 1. The dried heated air through the metering valves 12 and 13 enters the anode and cathode spaces of the fuel element 1, gradually heating his. After a certain period of time, the increasing temperature of the fuel cell and the entire power plant as a whole reaches a level at which a current-forming reaction can occur, metering valves 10, 11, 12 and 13 are closed and metering valves 8 and 9 open, hydrogen and air begin to be fed into the anode and the cathode spaces of the fuel cell 1, voltage arises at the electrodes and the fuel cell begins to operate. The heat generated in this case maintains the achieved positive temperature of the power plant.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении заявленный результат достигается тем, что энергоустановка с топливным элементом дополнительно содержит каталитический рекомбинатор и барботер, вход каталитического рекомбинатора соединен через краны-дозаторы с воздуходувкой и источником водорода, выход каталитического рекомбинатора соединен со входом барботера, а выход барботера соединен через краны-дозаторы с водородным и воздушным входами топливного элемента, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик энергоустановки, заключающееся в ее эффективном использовании при резко отрицательных температурах окружающей среды, характерных для арктических регионов.Thus, in the proposed technical solution, the claimed result is achieved by the fact that the power plant with a fuel cell further comprises a catalytic recombiner and a bubbler, the input of the catalytic recombiner is connected via metering valves with a blower and a hydrogen source, the output of the catalytic recombiner is connected to the bubbler input, and the bubbler output is connected through metering cranes with hydrogen and air inlets of the fuel cell, which ensures an improvement in the operational characteristics of the power plant, which consists in its effective use at sharply negative ambient temperatures characteristic of the Arctic regions.

Claims

Power plant with a fuel cell for the Arctic zone, containing a solid polymer fuel cell, a hydrogen source, blower, humidifier, pressure regulators, metering valves, characterized in that it contains a catalytic recombiner and bubbler, the input of the catalytic recombiner is connected through metering valves with a blower and a source hydrogen, the output of the catalytic recombiner is connected to the inlet of the bubbler, and the output of the bubbler is connected through metering taps to the hydrogen and air inlets of the fuel cell.