RU2482576C1 - Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells and method for removal of water and heat from fuel elements battery reaction zone - Google Patents
Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells and method for removal of water and heat from fuel elements battery reaction zone Download PDFInfo
- Publication number
- RU2482576C1 RU2482576C1 RU2011137787/07A RU2011137787A RU2482576C1 RU 2482576 C1 RU2482576 C1 RU 2482576C1 RU 2011137787/07 A RU2011137787/07 A RU 2011137787/07A RU 2011137787 A RU2011137787 A RU 2011137787A RU 2482576 C1 RU2482576 C1 RU 2482576C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- water
- fuel cell
- fuel cells
- mixture
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к энергоустановкам с электрохимическими генераторами (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов (ТЭ) и может быть использовано при производстве и эксплуатации указанных энергоустановок.The invention relates to power plants with electrochemical generators (ECG) based on hydrogen-oxygen fuel cells (TE) and can be used in the manufacture and operation of these power plants.
Значительное распространение в народном хозяйстве получили ЭХГ, в которых удаление воды и тепла из зоны реакции происходит за счет циркуляции электролита. Электролит нагревается в зоне реакции соединения водорода с кислородом и поглощает воду, после чего охлаждается в регенераторе электролита статического типа в результате испарения избыточной воды. Циркуляция электролита значительно облегчает поддержание баланса воды и тепла в зоне реакции соединения водорода с кислородом (Н.В.Коровин. «Электрохимические генераторы». Москва, «Энергия», 1974 г., стр.106-109, 118-121). Однако циркулирующий электролит выдвигает необходимость решения вопросов, связанных с шунтированием ТЭ по электролиту (токи утечки по электролиту, газовыделение и перенос массы и т.д.) (Н.С.Лидоренко, Г.Ф.Мучник. «Электрохимические генераторы». Москва, Энергоиздат, 1982 г., стр.220-222).A significant spread in the national economy is ECG, in which the removal of water and heat from the reaction zone occurs due to the circulation of the electrolyte. The electrolyte is heated in the reaction zone of the compound of hydrogen with oxygen and absorbs water, after which it is cooled in a static type electrolyte regenerator as a result of evaporation of excess water. The circulation of the electrolyte greatly facilitates the maintenance of the balance of water and heat in the reaction zone of the compound of hydrogen with oxygen (N.V. Korovin. "Electrochemical Generators". Moscow, "Energy", 1974, pp. 106-109, 118-121). However, the circulating electrolyte raises the need to address issues related to shunting fuel cells by electrolyte (leakage currents by electrolyte, gas evolution and mass transfer, etc.) (N. Lidorenko, G. F. Muchnik. “Electrochemical generators.” Moscow, Energy Publishing, 1982, pp. 220-222).
Регулирование температурно-влажностного режима в таких ЭХГ производится в теплообменниках, включенных во внутренний контур охлаждения. Конденсация избыточной влаги происходит на теплообменных поверхностях и за счет соответствующего охлаждения водорода. Сконденсированная влага с помощью специальных насосов откачивается либо в сборник конденсата, либо в систему регенерации воды.The regulation of the temperature and humidity conditions in such ECGs is carried out in heat exchangers included in the internal cooling circuit. Condensation of excess moisture occurs on heat-exchange surfaces and due to the corresponding cooling of hydrogen. Condensed moisture is pumped using special pumps either to the condensate collector or to the water recovery system.
В ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ и в способе удаления воды и тепла из зоны реакции топливных элементов, взятых за прототип, отсутствует проблема закорачивания ТЭ по электролиту (С.А.Подшивалов, Э.И.Иванов и др. «Энергетические установки космических аппаратов». Москва, Энергоиздат, 1981 г., стр.40-42).In ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells and in the method of removing water and heat from the reaction zone of fuel cells taken as a prototype, there is no problem of shorting fuel cells by electrolyte (S.A. Podshivalov, E.I. Ivanov and others. "Space power plants apparatuses. ”Moscow, Energoizdat, 1981, pp. 40-42).
ЭХГ на основе водородно-кислородных топливных элементов, взятый за прототип, состоит из контура сброса тепла с датчиком температуры и последовательно соединенными насосом и радиатором, батареи топливных элементов с трубопроводами подачи водорода и кислорода, с шинами выхода электричества, с клапаном сброса воды и системы управления и контроля ЭХГ, а также контура прокачки водорода, включающего компрессор (вентилятор), выход которого соединен с трубопроводом входа водорода в батарею топливных элементов, а вход - с выходом водорода из центрифуги-сепаратора с верхним и нижним сигнализаторами уровня влаги.An ECG based on hydrogen-oxygen fuel cells, taken as a prototype, consists of a heat discharge circuit with a temperature sensor and a pump and a radiator connected in series, fuel cell batteries with hydrogen and oxygen supply pipelines, with electricity output buses, with a water discharge valve and a control system and monitoring the ECG, as well as the hydrogen pumping circuit, including a compressor (fan), the output of which is connected to the hydrogen inlet pipe to the fuel cell battery, and the input to the hydrogen output from prices rifugi separator with upper and lower level detectors moisture.
ЭХГ работает следующим образом. В контуре прокачки водорода за счет непрерывной циркуляции водорода осуществляется отвод от ТЭ водяных паров и тепла. Далее поток пароводородной смеси поступает в водородный теплообменник-регенератор, который передает часть выделяющегося в ТЭ тепла газообразному водороду для поддержания требуемой температуры батареи ТЭ. После чего пароводородная смесь поступает в конденсатор, где тепло отдается теплоносителю, причем результирующее понижение температуры вызывает конденсацию водяных паров воды, а также охлаждение воды и водорода. Приводимая в действие электродвигателем центрифуга-сепаратор отделяет жидкую воду и отводит ее в бак для сбора воды. Охлажденный «сухой» водород затем снова перекачивается к батарее ТЭ с помощью вентилятора. Тепло, отданное в конденсаторе теплоносителю, выводится с его помощью к панелям холодильника-излучателя.ECG works as follows. In the hydrogen pumping circuit due to the continuous circulation of hydrogen, water vapor and heat are removed from the fuel cell. Next, the flow of the steam-hydrogen mixture enters the hydrogen heat exchanger-regenerator, which transfers part of the heat released in the fuel cell to gaseous hydrogen to maintain the required temperature of the fuel cell battery. After that, the steam-hydrogen mixture enters the condenser, where heat is transferred to the coolant, and the resulting decrease in temperature causes condensation of water vapor, as well as cooling of water and hydrogen. A centrifuge-separator driven by an electric motor separates liquid water and discharges it into a water collecting tank. The cooled “dry” hydrogen is then pumped back to the fuel cell using a fan. The heat given in the condenser to the coolant is removed with its help to the panels of the refrigerator-emitter.
Таким образом, способ удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов (С.А.Подшивалов, Э.И.Иванов и др. «Энергетические установки космических аппаратов». Москва, Эпергоиздат, 1981 г., стр.40-42) заключается в следующем. Подают водород и кислород в батарею топливных элементов. Водород, выходящий из зоны реакции батареи топливных элементов, нагревается и насыщается парами воды за счет химического соединения водорода с кислородом в зоне реакции. Полученную пароводородную смесь охлаждают до температуры окружающей среды. Отделяют сконденсированную воду от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов.Thus, a method of removing water and heat from the reaction zone of a battery of fuel cells (S. A. Podshivalov, E. I. Ivanov and others. "Power installations of spacecraft." Moscow, Epergoizdat, 1981, pp. 40-42) consists in the following. They supply hydrogen and oxygen to the fuel cell battery. Hydrogen leaving the reaction zone of the battery of fuel cells is heated and saturated with water vapor due to the chemical combination of hydrogen with oxygen in the reaction zone. The resulting steam-hydrogen mixture is cooled to ambient temperature. Condensed water is separated from hydrogen, which is again pumped into the battery of fuel cells.
Недостатком известного ЭХГ и способа, реализующего удаление воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов, является сложность удаления воды и тепла, связанная с тем, что процесс охлаждения воды требует дополнительных затрат электроэнергии (так как водород вместе с паровородной смесью поступает в зону реакции охлажденным до температуры окружающей среды).A disadvantage of the known ECG and a method that implements the removal of water and heat from the reaction zone of the battery of fuel cells is the difficulty of removing water and heat, due to the fact that the process of cooling water requires additional energy consumption (since hydrogen, together with the vapor mixture, enters the reaction zone cooled to ambient temperature).
Известен способ регулирования влагосодержания в водородно-кислородном аккумуляторе (патент RU 2081478, 10.06.1997, МПК 6 Н01М 8/18, Н01М 8/04), включающий подачу водорода и кислорода в батарею топливных элементов, продувку водородом топливных элементов, выход пароводородной смеси из зоны реакции батареи топливных элементов, охлаждение полученной пароводородной смеси до температуры конденсации пара путем впрыскивания воды, охлажденной до температуры окружающей среды, с расходом, определяемым выражением: 
где G - расход охлаждающей воды, кг/с; nТЭ - число ячеек топливных элементов; I - ток на клеммах электрохимического генератора, A; Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К, с образованием пароводяной смеси с водородом, отделение сконденсированной воды от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов, удаление воды.where G is the flow rate of cooling water, kg / s; n TE - the number of cells of fuel cells; I is the current at the terminals of the electrochemical generator, A; Δt is the temperature gradient between the fuel elements and cooling water, K, with the formation of a steam-water mixture with hydrogen, the separation of condensed water from hydrogen, which is again pumped into the fuel cell battery, water removal.
Данный способ принят за прототип.This method is adopted as a prototype.
Недостатком способа является дополнительный расход воды, так как происходит удаление воды, образовавшейся в результате химической реакции в батарее топливных элементов, и воды, необходимой для сброса тепла из зоны реакции.The disadvantage of this method is the additional consumption of water, since there is a removal of water formed as a result of a chemical reaction in the battery of fuel cells, and the water necessary to discharge heat from the reaction zone.
Задачей изобретения является повышение эффективности процесса удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов (непрерывность процесса удаления тепла и воды, образовавшейся в результате химической реакции).The objective of the invention is to increase the efficiency of the process of removing water and heat from the reaction zone of the battery of fuel cells (the continuity of the process of removing heat and water resulting from a chemical reaction).
Технический результат заключается в том, что предлагаемое изобретение позволяет:The technical result consists in the fact that the invention allows:
- снизить энергозатраты за счет подачи водорода в батарею топливных элементов, разогретых до температуры конденсации паров воды;- reduce energy consumption by supplying hydrogen to the battery of fuel cells heated to the temperature of condensation of water vapor;
- увеличить надежность и ресурс ЭХГ, так как агрегаты постоянно работают в условиях без резких перепадов температуры, обеспечивая при этом непрерывное удаление конечных продуктов токообразующей реакции.- to increase the reliability and resource of the ECG, as the units are constantly working in conditions without sudden temperature changes, while ensuring continuous removal of the final products of the current-forming reaction.
Технический результат достигается за счет того, что электрохимический генератор на основе водородно-кислородных топливных элементов содержит контур сброса тепла с датчиком температуры и насосом, выход которого соединен с входом радиатора-излучателя, батарею топливных элементов с трубопроводами подвода водорода и кислорода, с шинами выхода электричества, с клапаном сброса воды, систему управления и контроля электрохимического генератора, контур прокачки водорода, включающий вентилятор, выход которого соединен с трубопроводом подачи водорода в батарею топливных элементов, а вход - с выходом водорода из центрифуги-сепаратора сигнализаторами уровня влаги, в него введен смеситель по водороду и воде с штуцерами входа воды, входа водорода и выхода смеси водорода и воды из батареи топливных элементов, при этом на штуцере входа водорода в смеситель по водороду и воде установлен датчик температуры, а выход из центрифуги-сепаратора по воде подсоединен к входу насоса, выход из радиатора подсоединен к входу воды смесителя по воде и водороду, вход смеси водорода с водой соединен с входом в центрифугу-сепаратор, причем клапан сброса воды подключен к контуру съема тепла, а сигналы от датчиков температуры и сигнализаторов уровня влаги связаны с входом в систему управления и контроля электрохимического генератора, выходы из которой связаны с насосом и клапаном сброса воды.The technical result is achieved due to the fact that the electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells contains a heat discharge circuit with a temperature sensor and a pump, the output of which is connected to the radiator-radiator input, a fuel cell battery with hydrogen and oxygen supply pipelines, and electricity output buses , with a water discharge valve, a control system for the electrochemical generator, a hydrogen pumping circuit, including a fan, the outlet of which is connected to the supply pipe hydrogen into the fuel cell battery, and the input with the hydrogen output from the centrifuge separator with moisture level detectors, a hydrogen and water mixer with fittings for water inlet, hydrogen inlet and the mixture of hydrogen and water from the fuel cell battery is introduced into it, while on the nozzle The hydrogen inlet and water in the mixer are equipped with a temperature sensor, and the outlet from the centrifuge-water separator is connected to the pump inlet, the radiator outlet is connected to the water inlet of the mixer in water and hydrogen, the inlet of the hydrogen-water mixture is connected to the entrance to the centrifuge separator, and the water discharge valve is connected to the heat removal circuit, and the signals from the temperature sensors and moisture level sensors are connected to the entrance to the control and monitoring system of the electrochemical generator, the outputs of which are connected to the pump and the water discharge valve.
Технический результат достигается также за счет того, что в способе удаления воды и тепла из зоны реакции батареи топливных элементов, включающем подачу водорода и кислорода к батарею топливных элементов, продувку водородом топливных элементов, выход пароводородной смеси из зоны реакции батареи топливных элементов, охлаждение полученной пароводородной смеси до температуры конденсации пара путем впрыскивания воды, охлажденной до температуры окружающей среды, с расходом, определяемым выражением: 
где G - расход охлаждающей воды, кг/с; nТЭ - число ячеек топливных элементов; I - ток на клеммах электрохимического генератора, A; Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К, с образованием пароводяной смеси с водородом, отделение сконденсированной воды от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов, удаление воды, при этом перед охлаждением пароводяной смеси с водородом отделяют сконденсированную воду из полученной смеси, при этом сконденсированную воду охлаждают до температуры окружающей среды, из сконденсированной воды удаляют воду, образовавшуюся в зоне реакции батареи топливных элементов, а оставшуюся часть воды смешивают с пароводородной смесью, выходящей из батареи топливных элементов.where G is the flow rate of cooling water, kg / s; n TE - the number of cells of fuel cells; I is the current at the terminals of the electrochemical generator, A; Δt is the temperature gradient between the fuel elements and cooling water, K, with the formation of a steam-water mixture with hydrogen, the separation of condensed water from hydrogen, which is again pumped into the fuel cell battery, removal of water, while condensed water is separated from the obtained water before cooling the steam-water mixture with hydrogen mixtures, while the condensed water is cooled to ambient temperature, the water formed in the reaction zone of the fuel cell battery is removed from the condensed water, and the remaining part of the water is mixed with a steam-hydrogen mixture leaving the battery of fuel cells.
Сущность изобретения заключается в том, что пароводородную смесь, образованную в зоне реакции батареи топливных элементов с температурой 98°С, охлаждают количеством воды, определяемым по формуле (1). При этом происходит конденсация пара и образование воды с температурой 90-95°С, а также охлаждение водорода до температуры 90-95°С. Эту образовавшуюся пароводяную смесь с водородом направляют в центрифугу-сепаратор, где горячая вода отделяется от водорода, затем водород поступает в батарею топливных элементов, а горячая вода, образовавшаяся как в результате химической реакции, так и необходимая для охлаждения (сброса) тепла, накапливается в центрифуге-сепараторе. Уровень воды в центрифуге меняется за счет количества образовавшейся воды в зоне реакции батареи топливных элементов. По мере изменения уровня воды, образовавшейся в результате химической реакции, ее удаляют из зоны реакции батареи топливных элементов и охлаждают до температуры окружающей среды.The essence of the invention lies in the fact that the steam-hydrogen mixture formed in the reaction zone of the battery of fuel cells with a temperature of 98 ° C is cooled by the amount of water determined by the formula (1). In this case, steam condensation and the formation of water with a temperature of 90-95 ° C, as well as the cooling of hydrogen to a temperature of 90-95 ° C. This formed steam-water mixture with hydrogen is sent to a centrifuge-separator, where hot water is separated from hydrogen, then hydrogen enters the battery of fuel cells, and hot water formed both as a result of a chemical reaction and necessary for cooling (discharge) of heat accumulates in centrifuge separator. The water level in the centrifuge changes due to the amount of water formed in the reaction zone of the fuel cell battery. As the water level resulting from a chemical reaction changes, it is removed from the reaction zone of the fuel cell stack and cooled to ambient temperature.
Экспериментальным путем подтверждено, что постоянное влагосодержение и съем тепла при длительной работе в период резкой смены нагрузки происходит при расходе воды, определяемом по формуле (1).It was experimentally confirmed that constant moisture content and heat removal during prolonged operation during a sharp change in load occurs at a water flow rate determined by formula (1).
Коэффициент регулирования расхода ((5,1-5,3)·10-5) обеспечивается автоматически, за счет того, что ЭХГ работает только в определенном диапазоне, выдаваемом заказчику, электрической мощности от Nmin до Nmax (например, Nmin=1 кВт, a Nmax=10 кВт). При Nmax выделяется больше тепла и паров воды, в связи с чем повышается температура на выходе из батареи ТЭ, измеряемая датчиком температуры 9, что увеличивает разность температур, измеряемых датчиками 9 и 10. По сигналу увеличения разности температур увеличивается производительность насоса 2, обеспечивая максимальный расход воды, что приводит к снижению температуры воды, выходящей из радиатора-излучателя 3 до заданного уровня, и, следовательно, к снижению температуры сконденсированной воды, поступающей в смеситель по водороду и воде 5, тоже до заданного значения. При Nmin количество тепла и паров воды уменьшается, в связи с чем понижается температура на выходе из батареи ТЭ, измеряемая датчиком температуры 9, что уменьшает разность температур, измеряемых датчиками 9 и 10. По сигналу уменьшения разности температур уменьшается производительность насоса 2, обеспечивая минимальный расход воды, что приводит к повышению температуры воды, выходящей из радиатора 3, до заданного уровня и, следовательно, к повышению температуры воды, поступающей в смеситель 5, тоже до заданного уровня. При оптимальной заранее заданной постоянной электрической мощности, выделяемой потребителю ЭХГ, и конкретной тоже постоянной температуре на выходе из радиатора-излучателя 3 расход охлаждающей воды определяется по формуле:The coefficient of flow control ((5.1-5.3) · 10 -5 ) is provided automatically, due to the fact that the ECG operates only in a certain range issued to the customer, electric power from N min to N max (for example, N min = 1 kW, a N max = 10 kW). At N max , more heat and water vapor are released, in connection with which the temperature at the outlet of the TE battery measured by the temperature sensor 9 increases, which increases the temperature difference measured by the sensors 9 and 10. By the signal of the increase in the temperature difference, the productivity of pump 2 is increased, providing water flow, which leads to a decrease in the temperature of the water leaving the radiator-emitter 3 to a predetermined level, and, consequently, to a decrease in the temperature of the condensed water entering the mixer through hydrogen and water 5, also about the set value. At N min the amount of heat and water vapor decreases, and therefore the temperature at the outlet of the TE battery measured by the temperature sensor 9 decreases, which reduces the difference in temperature measured by the sensors 9 and 10. By the signal of the decrease in the temperature difference, the performance of pump 2 is reduced, providing water consumption, which leads to an increase in the temperature of the water leaving the radiator 3 to a predetermined level and, therefore, to an increase in the temperature of the water entering the mixer 5, also to a predetermined level. With the optimal predetermined constant electric power allocated to the consumer ECH, and a specific constant temperature at the outlet of the radiator-emitter 3, the flow of cooling water is determined by the formula:
где G - расход охлаждающей воды, кг/с;where G is the flow rate of cooling water, kg / s;
I - ток, который выдает потребителю батарея ТЭ (ток на клеммах ЭХГ), А;I is the current that the TE battery gives out to the consumer (current at the ECG terminals), A;
nТЭ - количество ячеек ТЭ;n TE - the number of cells TE;
Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К.Δt - temperature gradient between fuel cells and cooling water, K.
Так например, в ЭХГ, состоящем из 30-ти топливных ячеек, при постоянной разности температур Δt=t2-t1=70°С (t2 - температура в зоне реакции, равная 98°С, t1 - температура на выходе радиатора-излучателя, равная 28°С) и работающем при Nmin=1 кВт (I=150 А), расход охлаждающей воды, определяемый по формуле (1), равен 0,38·10-2 кг/с, а при Nmax=10 кВт (I=1000 А), когда выделяется большее количество тепла и паров воды, расход охлаждающей воды, определяемый по формуле (1), равен 2,36·10-2 кг/с. При оптимальной, заранее заданной постоянной электрической мощности, выдаваемой потребителю ЭХГ (например, N=5 кВт, I=500 А), и постоянной разнице температур расход охлаждающей воды, определяемый по формуле (2), равен 1,18·10-2 кг/с.For example, in an ECG consisting of 30 fuel cells, at a constant temperature difference Δt = t 2 -t 1 = 70 ° С (t 2 is the temperature in the reaction zone equal to 98 ° С, t 1 is the temperature at the radiator outlet -radiator, equal to 28 ° C) and operating at N min = 1 kW (I = 150 A), the flow rate of cooling water, determined by formula (1), is 0.38 · 10 -2 kg / s, and at N max = 10 kW (I = 1000 A), when a greater amount of heat and water vapor is released, the cooling water flow, determined by formula (1), is 2.36 · 10 -2 kg / s. With an optimal, predetermined constant electric power supplied to the consumer by the ECG (for example, N = 5 kW, I = 500 A), and a constant temperature difference, the flow rate of cooling water, determined by formula (2), is 1.18 · 10 -2 kg /from.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена принципиальная пневмогидросхема электрохимического генератора на основе водородно-кислородных топливных элементов, гдеThe invention is illustrated in figure 1, which shows the principal pneumohydrochemical electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells, where
1 - контур сброса тепла;1 - heat discharge circuit;
2 - насос с переменной производительностью;2 - variable displacement pump;
3 - радиатор-излучатель;3 - radiator-emitter;
4 - клапан сброса воды;4 - water discharge valve;
5 - смеситель по водороду и воде;5 - a mixer for hydrogen and water;
6 - батарея топливных элементов;6 - fuel cell battery;
7 - вентилятор;7 - fan;
8 - центрифуга-сепаратор;8 - centrifuge separator;
9, 10 - датчики температуры;9, 10 - temperature sensors;
11, 12 - сигнализаторы влаги;11, 12 - moisture indicators;
13 - шины батареи топливных элементов;13 - tires of the battery of fuel cells;
14 - система управления и контроля ЭХГ;14 - ECG control and monitoring system;
15 - трубопровод подачи кислорода;15 - oxygen supply pipe;
16 - трубопровод подачи водорода.16 is a hydrogen supply pipe.
Электрохимический генератор состоит из контура сброса тепла 1, включающего последовательно соединенные между собой насос с переменной производительностью 2 и радиатор-излучатель 3. К контуру сброса тепла подсоединен клапан сброса воды 4. Вход в насос 2 соединен с выходом по воде из центрифуги-сепаратора 8, выход насоса 2 соединен с входом радиатора-излучателя 3, а выход из радиатора-излучателя 3 подсоединен к входу смесителя по водороду и воде 5. Другой вход смесителя по водороду и воде 5 соединен с выходом водорода из батареи топливных элементов 6. Вход трубопровода водорода 16 в батарею топливных элементов 6 соединен с выходом вентилятора 7, вход которого соединен с выходом водорода из центрифуги-сепаратора 8. Центрифуга-сепаратор 8 снабжена двумя сигнализаторами влаги 11, 12, которые соединены с входом системы управления и контроля ЭХГ 14, а выходы из системы управления и контроля ЭХГ 14 связаны с насосом и клапаном сброса воды 4.The electrochemical generator consists of a heat discharge circuit 1, including a variable displacement pump 2 and a radiator-emitter 3 connected in series to each other. A water discharge valve 4 is connected to the heat discharge circuit. The pump inlet 2 is connected to the water outlet of the centrifuge separator 8, the output of the pump 2 is connected to the input of the radiator-emitter 3, and the output of the radiator-emitter 3 is connected to the input of the mixer for hydrogen and water 5. Another input of the mixer for hydrogen and water 5 is connected to the hydrogen output from the battery of the fuel cell 6. The input of the hydrogen pipe 16 to the fuel cell battery 6 is connected to the output of the fan 7, the input of which is connected to the hydrogen output from the centrifuge-separator 8. The centrifuge-separator 8 is equipped with two moisture detectors 11, 12, which are connected to the input of the control and monitoring system ECG 14, and the outputs from the control and monitoring system ECG 14 are connected to the pump and the water discharge valve 4.
Трубопровод подачи кислорода 15 и трубопровод подачи водорода 16 подсоединены к батарее топливных элементов 6, а на входе в смеситель по водороду и воде 5 установлен датчик температуры 9. На выходе из радиатора 3 установлен датчик температуры 10. На шинах батареи топливных элементов 13 установлена система управления и контроля ЭХГ 14.The oxygen supply pipe 15 and the hydrogen supply pipe 16 are connected to the fuel cell battery 6, and a temperature sensor 9 is installed at the inlet to the mixer for hydrogen and water 5. A temperature sensor 10 is installed at the outlet of the radiator 3. A control system is installed on the tires of the fuel cell battery 13 and ECG control 14.
ЭХГ работает следующим образом. В батарею топливных элементов 6 по трубопроводу подачи кислорода 15 поступает кислород, а по трубопроводу подачи водорода 16 - водород. К трубопроводу подачи водорода 16 подсоединен вентилятор 7. В результате химической реакции соединения водорода с кислородом в батарее топливных элементов 6 в зоне реакции образуются пары воды и тепло. Зона реакции постоянно продувается водородом с помощью вентилятора 7, поэтому на выходе из батареи топливных элементов 6 датчик температуры 9 всегда будет показывать температуру, находящуюся в заданных пределах в зависимости от расхода водорода. Горячий и влажный водород поступает в смеситель по водороду и воде 5, где смешивается с холодной водой, поступающей из контура сброса тепла 1 и охлажденной в радиаторе-излучателе 3. Температура холодной воды, поступающей из радиатора-излучателя 3, измеряется датчиком температуры 10 и находится в заданных пределах благодаря тому, что расход воды регулируется насосом с переменной производительностью 2. Водород, охлажденный до температуры конденсации пара, то есть с каплями конденсата горячей воды, из смесителя по водороду и воде 5 поступает в центрифугу-сепаратор 8, где разделяется на воду и водород, который с помощью вентилятора 7 вновь поступает в батарею топливных элементов 6, а вода из центрифуги-сепаратора 8 насосом 2 подается в радиатор-излучатель 3. В центрифуге-сепараторе 8 установлены сигнализаторы влаги 11 и 12, по сигналу которых открывается (по сигнализатору влаги 11) или закрывается (по сигнализатору влаги 12) клапан сброса воды 4. Управление клапаном сброса 4 и производительностью насоса 2 по показаниям датчиков температуры 9 и 10 проводится системой управления и контроля ЭХГ 14, установленной на шинах батареи топливных элементов 13.ECG works as follows. Oxygen is supplied to the battery of fuel cells 6 through an oxygen supply line 15, and hydrogen through a hydrogen supply line 16. A fan 7 is connected to the hydrogen supply line 16. As a result of a chemical reaction of a hydrogen compound with oxygen in a fuel cell stack 6, water vapor and heat are generated in the reaction zone. The reaction zone is constantly purged with hydrogen using a fan 7, therefore, at the output of the battery of fuel cells 6, the temperature sensor 9 will always show a temperature that is within the specified limits depending on the flow of hydrogen. Hot and wet hydrogen enters the mixer through hydrogen and water 5, where it is mixed with cold water coming from the heat discharge circuit 1 and cooled in the radiator-radiator 3. The temperature of the cold water coming from the radiator-radiator 3 is measured by a temperature sensor 10 and is located within specified limits due to the fact that the water flow is regulated by a variable displacement pump 2. Hydrogen, cooled to a vapor condensation temperature, that is, with drops of hot water condensate, from the mixer through hydrogen and water 5 enters ntrifuge separator 8, where it is separated into water and hydrogen, which, with the help of a fan 7, again enters the fuel cell battery 6, and water from the centrifuge separator 8 is pumped 2 to the radiator-radiator 3. Moisture detectors 11 are installed in the centrifuge separator 8 and 12, the signal of which opens (by the moisture detector 11) or closes (by the moisture detector 12) the water discharge valve 4. The discharge valve 4 and the pump 2 are controlled according to the readings of temperature sensors 9 and 10 by the ECM 1 control and monitoring system 4 mounted on the tires of the fuel cell battery 13.
Claims (2)
где G - расход охлаждающей воды, кг/с; nТЭ - число ячеек топливных элементов; I - ток на клеммах электрохимического генератора, A; Δt - градиент температуры между топливными элементами и охлаждающей водой, К, с образованием пароводяной смеси с водородом, отделение сконденсированной воды от водорода, который снова перекачивают в батарею топливных элементов, удаление воды, отличающийся тем, что перед охлаждением пароводяной смеси с водородом отделяют сконденсированную воду из полученной смеси, при этом сконденсированную воду охлаждают до температуры окружающей среды, из сконденсированной воды удаляют воду, образовавшуюся в зоне реакции батареи топливных элементов, а оставшуюся часть воды смешивают с пароводородной смесью, выходящей из батареи топливных элементов. 2. A method of removing water and heat from the reaction zone of the fuel cell battery, comprising supplying hydrogen and oxygen to the fuel cell battery, purging the fuel cell with hydrogen, leaving the steam-hydrogen mixture from the reaction zone of the fuel cell battery, cooling the resulting steam-hydrogen mixture to a vapor condensation temperature by injecting water cooled to ambient temperature, with a flow rate defined by the expression:
where G is the flow rate of cooling water, kg / s; n TE - the number of cells of fuel cells; I is the current at the terminals of the electrochemical generator, A; Δt is the temperature gradient between the fuel elements and cooling water, K, with the formation of a steam-water mixture with hydrogen, the separation of condensed water from hydrogen, which is again pumped into the fuel cell battery, the removal of water, characterized in that condensed water is separated before cooling the steam-water mixture with hydrogen from the resulting mixture, while the condensed water is cooled to ambient temperature, the water formed in the reaction zone of the fuel cell battery is removed from the condensed water, and the remainder of the water is mixed with a steam-hydrogen mixture leaving the fuel cell stack.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011137787/07A RU2482576C1 (en) | 2011-09-13 | 2011-09-13 | Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells and method for removal of water and heat from fuel elements battery reaction zone |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011137787/07A RU2482576C1 (en) | 2011-09-13 | 2011-09-13 | Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells and method for removal of water and heat from fuel elements battery reaction zone |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011137787A RU2011137787A (en) | 2013-03-20 |
| RU2482576C1 true RU2482576C1 (en) | 2013-05-20 |
Family
ID=48789998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011137787/07A RU2482576C1 (en) | 2011-09-13 | 2011-09-13 | Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells and method for removal of water and heat from fuel elements battery reaction zone |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2482576C1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614242C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-03-24 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Electrochemical generator |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2081478C1 (en) * | 1995-01-05 | 1997-06-10 | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Moisture content control method for oxyhydrogen low-temperature cell |
| US6610193B2 (en) * | 2000-08-18 | 2003-08-26 | Have Blue, Llc | System and method for the production and use of hydrogen on board a marine vessel |
| US6660417B1 (en) * | 1999-10-27 | 2003-12-09 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell generator |
| RU2280924C1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-07-27 | Зия Рамизович Каричев | Electrochemical generator built around hydrogen-oxygen fuel cells |
| RU2312430C2 (en) * | 2005-05-11 | 2007-12-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Power installation built around fuel cells of hydrogen-oxygen energy storage |
| RU2417487C1 (en) * | 2009-11-16 | 2011-04-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Power plant with electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel elements and method of its operation |
-
2011
- 2011-09-13 RU RU2011137787/07A patent/RU2482576C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2081478C1 (en) * | 1995-01-05 | 1997-06-10 | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Moisture content control method for oxyhydrogen low-temperature cell |
| US6660417B1 (en) * | 1999-10-27 | 2003-12-09 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell generator |
| US6610193B2 (en) * | 2000-08-18 | 2003-08-26 | Have Blue, Llc | System and method for the production and use of hydrogen on board a marine vessel |
| RU2280924C1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-07-27 | Зия Рамизович Каричев | Electrochemical generator built around hydrogen-oxygen fuel cells |
| RU2312430C2 (en) * | 2005-05-11 | 2007-12-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Power installation built around fuel cells of hydrogen-oxygen energy storage |
| RU2417487C1 (en) * | 2009-11-16 | 2011-04-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Power plant with electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel elements and method of its operation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011137787A (en) | 2013-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101821887B (en) | Evaporation-cooled fuel cell system and method for operating the same | |
| CN108666597B (en) | Fuel cell system | |
| US6699612B2 (en) | Fuel cell power plant having a reduced free water volume | |
| CN113629270A (en) | Fuel cell cathode recycling low-temperature starting system and control method thereof | |
| CN114068997B (en) | High-efficiency energy-saving fuel cell stack test system | |
| US20150010785A1 (en) | Fuel cell system | |
| US9685665B2 (en) | System and method for thermal priority operation of a fuel cell power plant | |
| KR101996754B1 (en) | Fuel cell system | |
| CN105576269A (en) | Thermal control system of fixed mini-type fuel cell cogeneration device | |
| WO2010123146A1 (en) | Method of controlling a fuel cell system | |
| CN102437357B (en) | Water balance system of fuel cell | |
| US9553320B2 (en) | Fuel cell system | |
| US9941528B2 (en) | Fuel cell system | |
| KR101553446B1 (en) | Fuel cell system with excellent eliminating effect on freezing material throughout air purging and method of controlling the same | |
| RU2443040C2 (en) | Fuel elements system | |
| Khayrullina et al. | Air heated metal hydride energy storage system design and experiments for microgrid applications | |
| US20150221964A1 (en) | Freeze start-up method for fuel cell system | |
| RU2482576C1 (en) | Electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel cells and method for removal of water and heat from fuel elements battery reaction zone | |
| Liang et al. | Thermal analysis of high-temperature proton exchange membrane fuel cell integrated compression-assisted absorption heat pump system | |
| RU2614242C1 (en) | Electrochemical generator | |
| CN116264297A (en) | Low-temperature starting method of low-pressure hydrogen-air fuel cell system | |
| CN113299956A (en) | Fuel cell engine test system | |
| JP2003168457A (en) | Fuel cell system | |
| CN115117395A (en) | Fuel cell anode backpressure control system based on proportional valve | |
| CN115606021A (en) | System for cooling fuel cell and fuel cell equipped with the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160914 |