RU2678902C1 - Fuel cell structure and operating principle studying device - Google Patents

Abstract

FIELD: education.SUBSTANCE: invention relates to the educational equipment in the field of energy, namely to the laboratory and practical classes conducting device (visual-methodological manual) in the senior classes of secondary educational schools, in the primary vocational, secondary vocational and higher vocational education institutions in the class of alternative energy. Fuel cell studying device includes at least one fuel cells battery with the purge valve, decreasing pressure reduction valve with a nozzle for the hydrogen source installation, at least one flow meter, oxidizer to the fuel cells battery supply means, information displaying and data input means, as well as the control board and the electronic load module. Flow meter is located between the pressure reduction valve and the fuel cells battery and connected to them by means of the tubes. Flow meter, a purge valve, a fuel cells battery, an oxidizer supply device and the information display device with data input means are connected to the control board and the electronic load module.EFFECT: proposed technical solution is aimed at provision of the device operating parameters optimization process visual monitoring; in particular, the proposed invention allows to more effectively get acquainted with the FC operation due to the occurring therein processes visual regulation by the optimal parameters selection.8 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики, а именно к устройству (наглядно-методическому пособию) для проведения лабораторно-практических занятий в старших классах средних образовательных школ, в учреждениях начального профессионального, среднего профессионального и высшего профессионального образования по курсу альтернативной энергетики. Предложенное устройство является своего рода тренажером для работы с топливным элементом.The invention relates to teaching equipment in the field of energy, and in particular to a device (visual and methodological aid) for conducting laboratory and practical classes in high school secondary schools, in institutions of primary vocational, secondary vocational and higher professional education at the alternative energy course. The proposed device is a kind of simulator for working with a fuel cell.

Одним из преобладающих направлений развития современной энергетики является, так называемая, «зеленая энергетика». В процессе работы соответствующих энергоустановок не происходит загрязнения окружающей среды. В этом смысле водородная энергетика, основанная на использовании водорода в качестве носителя для аккумулирования, транспортировки и последующей выработки электроэнергии безусловно относится к экологически чистой энергетике, поскольку в процессе получения энергии продуктом реакции является только вода.One of the predominant trends in the development of modern energy is the so-called "green energy". During the operation of the respective power plants, environmental pollution does not occur. In this sense, hydrogen energy based on the use of hydrogen as a carrier for the accumulation, transportation, and subsequent generation of electricity certainly refers to environmentally friendly energy, since in the process of obtaining energy, the reaction product is only water.

В настоящее время разработан, например, топливный элемент (ТЭ), относящийся к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии окисления водорода кислородом воздуха или чистым кислородом в электрическую энергию (RU 160133 U1,10.03.2016).Currently developed, for example, a fuel cell (FC), related to the field of chemical current sources with direct conversion of the chemical energy of hydrogen oxidation by atmospheric oxygen or pure oxygen into electrical energy (RU 160133 U1.10.03.2016).

Однако, эксплуатация электрохимических генераторов на основе таких ТЭ требует особых знаний и навыков, которые в настоящее время плохо развиты у потребителей. В связи с этим, необходимо дополнительное освящение в образовательных программах или наглядных пособиях принципа работы ТЭ и других электрохимических устройств.However, the operation of electrochemical generators based on such fuel cells requires special knowledge and skills, which are currently poorly developed among consumers. In this regard, additional sanctification in educational programs or visual aids of the principle of operation of fuel cells and other electrochemical devices is necessary.

Это особенно важно для начинающих специалистов (в частности, студентов).This is especially important for beginners (in particular, students).

В настоящее время существует большое количество подобных наглядных пособий, в частности, обучающих стендов, в разных областях техники.Currently, there are a large number of such visual aids, in particular, training stands, in various fields of technology.

Так, например, из патента RU 2490720 СТ, 20.08.2013 известен мобильный учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов, который относится к области обучающих устройств, а именно к техническим средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов.So, for example, from the patent RU 2490720 ST, 08/20/2013, a mobile training and laboratory bench for studying electric machines and electric drives is known, which relates to the field of educational devices, namely, technical means for studying the basics of the functioning of electric machines and electric drives.

Также известен стенд для изучения основ электро- и радиотехники RU 131891 U1, 27.08.2013. Данный стенд предназначен для демонстрации на одной базовой простой установке (стенде) и на простых схемотехнических решениях принципы построения и работы широкого спектра ключевых основополагающих схем и устройств электро- и радиотехники.Also known is a stand for studying the basics of electrical and radio engineering RU 131891 U1, 08/27/2013. This stand is intended for demonstration on one basic simple installation (stand) and on simple circuit solutions, the principles of construction and operation of a wide range of key fundamental schemes and devices of electrical and radio engineering.

Что же касается водородной энергетики, то из уровня техники не выявлено аналогов, в частности устройств (стендов) для изучения структуры и принципа действия топливного элемента.As for hydrogen energy, there are no analogues from the prior art, in particular devices (stands) for studying the structure and principle of operation of a fuel cell.

Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение визуального контроля процесса оптимизации рабочих параметров устройства. В частности, предлагаемое изобретение дает возможность более эффективно ознакомиться с работой ТЭ за счет наглядного регулирования происходящих в нем процессов путем подбора оптимальных параметров.The proposed technical solution is aimed at providing visual control of the process of optimizing the operating parameters of the device. In particular, the present invention makes it possible to more effectively familiarize themselves with the operation of the fuel cell by visually controlling the processes occurring in it by selecting the optimal parameters.

Устройство для изучения структуры и принципа действия топливного элемента, включает, по меньшей мере, одну батарею топливных элементов с клапаном продувки, который необходим для осуществления продувки области поступления водорода в батарею топливных элементов, понижающий газовый редуктор с патрубком для установки источника водорода, по меньшей мере, один расходомер, средство для подачи окислителя к батарее топливных элементов, средства отображения информации и ввода данных, а также плату управления и модуль электронной нагрузки. Расходомер расположен между редуктором и батареей топливных элементов и соединен с ними посредством трубок. К плате управления и модулю электронной нагрузки подключены посредством проводных соединений расходомер, батарея топливных элементов, клапан продувки, а так же устройства отображения информации и ввода данных.A device for studying the structure and principle of operation of a fuel cell includes at least one fuel cell battery with a purge valve, which is necessary to purge the region of hydrogen entering the fuel cell battery, lowering the gas reducer with a pipe for installing a hydrogen source, at least , one flowmeter, means for supplying an oxidizing agent to the fuel cell battery, means for displaying information and inputting data, as well as a control board and an electronic load module. The flow meter is located between the gearbox and the fuel cell battery and connected to them by means of tubes. A flow meter, a fuel cell battery, a purge valve, and also information display and data input devices are connected to the control board and the electronic load module via wired connections.

Под окислителем в данном устройстве понимают кислород, в том числе из воздуха.Under the oxidizing agent in this device is understood oxygen, including from the air.

В качестве средства для подачи окислителя возможно использовать вентилятор. Причем вентилятор также выполняет функцию охлаждения батареи топливных элементов.As a means for supplying an oxidizing agent, it is possible to use a fan. Moreover, the fan also performs the function of cooling the battery of fuel cells.

В качестве средства отображения информации можно использовать монитор.You can use a monitor as a means of displaying information.

Провода, соединяющие батарею топливных элементов с платой управления и модулем электронной нагрузки являются силовыми.The wires connecting the fuel cell battery to the control board and the electronic load module are power.

Между патрубком для установки источника водорода и батареей топливных элементов может быть установлен запорный клапан, при этом количество запорных клапанов будет соответствовать количеству батарей топливных элементов. Запорный клапан устанавливают в случае отсутствия в расходомере возможности перекрытия подачи водорода. Его установка необходима для перекрытия подачи водорода к батарее топливных элементов.A shut-off valve can be installed between the nozzle for installing the hydrogen source and the fuel cell battery, and the number of shut-off valves will correspond to the number of fuel cell batteries. The shut-off valve is installed if there is no possibility of shutting off the hydrogen supply in the flowmeter. Its installation is necessary to shut off the supply of hydrogen to the battery of fuel cells.

Устройство может быть дополнительно оборудовано средством для обдува (охлаждения) платы управления и модуля электронной нагрузки, например, вентилятором.The device can be additionally equipped with means for blowing (cooling) the control board and the electronic load module, for example, a fan.

Также устройство дополнительно может содержать порт для подключения внешней нагрузки, который соединяют с батареей топливных элементов силовым проводом. Данный порт необходим для подключения внешних устройств или преобразователей напряжения и тока.Also, the device may further comprise a port for connecting an external load, which is connected to the fuel cell battery by a power wire. This port is required for connecting external devices or voltage and current converters.

Устройство может дополнительно содержать квадратурный энкондер.The device may further comprise a quadrature encoder.

Средство для ввода данных может быть выполнено в разных вариациях. Так, например, оно может быть выполнено в виде отдельного блока, например, клавиатуры, или же (функции указания и ввода на сенсорном экране), или же (мышь, подключенная через USB-порт).The means for entering data can be performed in different variations. So, for example, it can be made in the form of a separate unit, for example, a keyboard, or (pointing and entering functions on the touch screen), or (a mouse connected via a USB port).

Устройство может быть дополнительно снабжено датчиком водорода. Такой датчик позволяет аварийно отключить устройство в случае регистрации им утечки водорода во внешнюю среду.The device may be further provided with a hydrogen sensor. Such a sensor allows you to accidentally turn off the device in case of registration of a hydrogen leak into the environment.

В качестве источника водорода используют баллон с металлогидридом, в котором водород хранится в связанном состоянии в виде гидрида и выделяется в диапазоне комнатных температур. Дополнительно можно использовать баллон со сжатым водородом.As a source of hydrogen, a metal hydride cylinder is used in which hydrogen is stored in a bound state in the form of a hydride and is released in the range of room temperatures. Additionally, a compressed hydrogen cylinder can be used.

Все элементы устройства могут быть расположены на основании. В качестве основания может быть использован стол, стенд и т.п.All elements of the device can be located on the base. As the basis can be used a table, stand, etc.

На основании могут быть расположены посадочные места для баллона с водородом и для запасных баллонов с водородом.On the base can be located seats for a hydrogen cylinder and for spare hydrogen cylinders.

На корпусе может находиться интерфейс.The case may contain an interface.

Предлагаемое изобретение поясняется рисунками.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 изображено устройство в сборе.In FIG. 1 shows a device assembly.

На Фиг. 2 схематично показаны соединения элементовIn FIG. 2 schematically shows the connections of elements

На Фиг. 1 присутствуют следующие обозначения:In FIG. 1 there are the following notation:

1 - батарея топливных элементов1 - fuel cell battery

2 - клапан продувки2 - purge valve

3 - понижающий газовый редуктор3 - reduction gas reducer

4 - источник водорода (баллон с водородом)4 - hydrogen source (hydrogen cylinder)

5 - расходомер5 - flow meter

6 - устройство отображения информации (на рисунке указан монитор)6 - information display device (the monitor is shown in the figure)

7 - средство ввода данных (на рисунке указана клавиатура)7 - data input tool (the figure shows the keyboard)

8 - плата управления и модуль электронной нагрузки8 - control board and electronic load module

9 - трубки9 - tubes

10 - порт/клеммы для подключения внешней нагрузки10 - port / terminals for connecting an external load

11 - квадратурный энкондер11 - quadrature encoder

12 - датчик водорода12 - hydrogen sensor

13 - основание13 - base

14 - посадочное место для источника водорода (для баллона с водородом)14 - seat for a hydrogen source (for a hydrogen cylinder)

15 - посадочное место для дополнительных (запасных) баллонов с источником водородом15 - seat for additional (spare) cylinders with a source of hydrogen

На Фиг. 1 изображен вариант расположения элементов устройства на стенде. Практически все элементы расположены на основании 13 корпуса (стенда), внутри которого, как правило, устанавливают средство для подачи воздуха, охлаждающее плату управления и модуль электронной нагрузки, например, таким средством может быть вентилятор (на фиг. 1 не изображен). Также внутри стенда можно установить расходомер 5. Кроме того, на фиг. 1 сама батарея топливных элементов расположена в корпусе, внутри которого, как правило, устанавливают средство для подачи окислителя (например, кислорода из окружающего воздуха)In FIG. 1 shows a variant of the arrangement of the elements of the device on the stand. Almost all elements are located on the base 13 of the housing (stand), inside of which, as a rule, means for supplying air, a cooling control board and an electronic load module are installed, for example, such a means may be a fan (not shown in Fig. 1). Also, a flowmeter 5 can be installed inside the stand. In addition, in FIG. 1, the battery of fuel cells is located in the housing, inside of which, as a rule, means are installed for supplying an oxidizing agent (for example, oxygen from the ambient air)

Принцип работы устройства, являющегося тренажером для работы с топливным элементом:The principle of operation of the device, which is a simulator for working with a fuel cell:

Для работы устройства необходимы топливо и окислитель. В качестве топлива используют водород, а в качестве окислителя кислород из окружающего воздуха.For the operation of the device, fuel and an oxidizing agent are required. Hydrogen is used as fuel, and oxygen from ambient air is used as an oxidizing agent.

Баллон 4 с водородом, который является сменным, устанавливают в посадочное место 14, соединяя баллон с патрубком редуктора. Дополнительные (запасные) баллоны 4 могут находиться в посадочных местах 15. Водород из баллона 4 поступает в батарею 1 топливных элементов через понижающий газовый редуктор 3 и расходомер 5 по трубкам 9. Кислород из воздуха поступает путем нагнетания его через открытые каналы топливных элементов средством для подачи воздуха, например, осевым вентилятором (см. фиг. 2), который помимо нагнетания воздуха обеспечивает охлаждение батареи топливных элементов путем вынужденной конвекции. Входящая температура воздуха равна температуре окружающей среды. В процессе работы топливного элемента его температура будет повышаться, соответственно при нагнетании воздуха в батарею топливных элементов будет происходить теплообмен и температура воздуха на выходе из батареи топливных элементов будет отличаться на величину t теплоотдачи. Зная расход воздуха и его теплоемкость можно рассчитать количество уносимого тепла. В батарее топливных элементов 1 происходит непосредственное преобразование химической энергии водорода в электрическую и тепловую. Водород, окисляясь кислородом отдает электроны, которые идут во внешнюю цепь, образуя на концах токоотводов разность потенциалов, которая подключается к нагрузке (внешней либо внутренней электронной нагрузке).The cylinder 4 with hydrogen, which is replaceable, is installed in the seat 14, connecting the cylinder with the nozzle of the gearbox. Additional (spare) cylinders 4 may be located in the seats 15. Hydrogen from the cylinder 4 enters the battery 1 of the fuel cells through a gas reduction gear 3 and a flow meter 5 through the tubes 9. Oxygen from the air enters by pumping it through the open channels of the fuel cells by means of supply air, for example, by an axial fan (see Fig. 2), which in addition to air injection provides cooling of the fuel cell battery by forced convection. The incoming air temperature is equal to the ambient temperature. During operation of the fuel cell, its temperature will increase; accordingly, when air is injected into the fuel cell battery, heat exchange will occur and the air temperature at the outlet of the fuel cell battery will differ by the heat transfer t. Knowing the air flow and its heat capacity, you can calculate the amount of heat carried away. In the battery of fuel cells 1 there is a direct conversion of the chemical energy of hydrogen into electrical and thermal. Hydrogen, oxidized by oxygen, gives up electrons that go into an external circuit, forming a potential difference at the ends of the down conductors, which is connected to the load (external or internal electronic load).

Индикация измеренных и установленных величин осуществляется на мониторе 6 и на цифровом табло платы 8.The measured and set values are displayed on the monitor 6 and on the digital board 8.

Расходомер 5 регистрирует и контролирует расход водорода, поступающего в батарею топливных элементов 1. Существуют разные расходомеры и в случае, когда расходомер не имеет возможность запирания потока водорода, устанавливают запорный клапан на входе в батарею топливных элементов 1The flow meter 5 registers and controls the flow of hydrogen entering the battery of fuel cells 1. There are different flow meters and in the case when the flow meter does not have the ability to block the flow of hydrogen, a shut-off valve is installed at the entrance to the battery of fuel cells 1

Средства 6 отображения информации (например, монитор) и 7 ввода данных необходимы как раз для обеспечения наглядности происходящих процессов в работе батареи топливных элементов при одновременной возможности подбора оптимальных параметров (режимов) работы устройства.Means of information display 6 (for example, a monitor) and data input 7 are necessary just to ensure the visibility of the processes in the operation of the fuel cell battery while at the same time being able to select the optimal parameters (modes) of operation of the device.

Средство 7 ввода данных позволяет задать необходимые режимы работы. На мониторе (дисплее) отображаются заданные параметры работы устройства и измеряемые величины, такие как электрический ток, напряжение, мощность, расход водорода, температуру батареи топливных элементов, температуру воздуха на входе в батарею топливных элементов, а также температуру на выходе из батареи топливных элементов и объемный расход воздуха.Means 7 data input allows you to set the necessary operating modes. The monitor (display) displays the set operating parameters of the device and the measured values, such as electric current, voltage, power, hydrogen consumption, temperature of the fuel cell battery, air temperature at the inlet of the fuel cell battery, as well as the temperature at the outlet of the fuel cell battery and air volumetric flow rate.

Электронная нагрузка позволяет имитировать потребителя. Вся электрическая мощность, передаваемая на электронную нагрузку, переходит в ней в тепловую энергию, которая рассеивается в воздухе, чему может способствовать дополнительно установленный вентилятор.Electronic load allows you to simulate the consumer. All the electric power transmitted to the electronic load is converted into thermal energy in it, which is dissipated in the air, which can be facilitated by an additionally installed fan.

Иногда целесообразно дополнить устройство портом 10 (клеммой) для подключения внешней нагрузки. Порт (клеммы) позволяет(ют) подключить потребителя помимо электронной нагрузки и измерить напряжение сторонними приборами.Sometimes it is advisable to supplement the device with port 10 (terminal) for connecting an external load. The port (terminals) allows you to connect the consumer in addition to the electronic load and measure the voltage with third-party devices.

Проведение лабораторно-практических занятий на предложенном устройстве позволяет изучить:Conducting laboratory and practical classes on the proposed device allows you to study:

- Структуру, конструкцию и принцип действия топливного элемента;- The structure, construction and principle of operation of the fuel cell;

- термодинамику топливного элемента;- thermodynamics of the fuel cell;

- характеристическую кривую и кривую изменения мощности топливного элемента;- a characteristic curve and a curve of a change in power of a fuel cell;

- коэффициент полезного действия;- coefficient of performance;

- необходимые компоненты для формирования источников электропитания на основе топливных элементов автономного энергоснабжения устройств;- the necessary components for the formation of power sources based on fuel cells of autonomous power supply devices;

- силовую электронику и преобразование напряжения.- power electronics and voltage conversion.

Режимы и параметры, которые возможно установить на предлагаемом устройстве:Modes and parameters that can be set on the proposed device:

Температура отключения: максимальная температура, при которой топливный элемент отключится от питания водорода и прекратит выработку электричества.Shutdown temperature: The maximum temperature at which the fuel cell disconnects from the hydrogen supply and stops generating electricity.

Режим работы вентиляторов обдува топливного элемента: режим постоянного потока воздуха (изменяется температура) и режим постоянной температуры (изменяется поток воздуха).The operation mode of the fans for blowing the fuel cell: constant air flow mode (temperature changes) and constant temperature mode (air flow changes).

Продувка: время продувки - на какое время открывается клапан продувки, период продувки - через какое время открывается клапан, напряжение БТЭ для продувки - при достижении какого напряжения БТЭ срабатывает продувка в независимости от времени (отсчет времени при этом начинается заново).Purge: purge time - for how long the purge valve opens, the purge period - after how long the valve opens, the BFC voltage for the purge - when the BTE voltage is reached, the purge is triggered regardless of the time (the countdown starts again).

Установка режима электронной нагрузки: режимы постоянного тока (изменяется напряжение), постоянного напряжения (изменяется ток) и постоянной мощности.Setting the electronic load mode: modes of direct current (voltage changes), constant voltage (current changes) and constant power.

Разработанное наглядно-методическое устройство может использоваться как для демонстрации работы альтернативных источников энергии, так и в качестве обучения и тренинга персонала, работающего в области энергетики.The developed methodological device can be used both to demonstrate the operation of alternative energy sources, and as a training and education for personnel working in the field of energy.

Claims (8)

1. Устройство для изучения топливного элемента, включающее по меньшей мере одну батарею топливных элементов с клапаном продувки, понижающий редуктор с патрубком для установки источника водорода, по меньшей мере один расходомер, средство для подачи окислителя к батарее топливных элементов, средства отображения информации и ввода данных, а также плату управления, датчик водорода и модуль электронной нагрузки, при этом расходомер расположен между редуктором и батареей топливных элементов и соединен с ними посредством трубок, а к плате управления и модулю электронной нагрузки подключены посредством проводных соединений расходомер, клапан продувки, батарея топливных элементов, средство подачи окислителя и устройство отображения информации со средством ввода данных.1. A device for studying a fuel cell, comprising at least one fuel cell battery with a purge valve, a reduction gear with a nozzle for installing a hydrogen source, at least one flow meter, means for supplying an oxidizing agent to the fuel cell battery, information display and data input means as well as a control board, a hydrogen sensor and an electronic load module, while the flowmeter is located between the gearbox and the fuel cell battery and connected to them by means of tubes, and to the control board The flowmeter and the electronic load module are connected via wire connections to a flowmeter, a purge valve, a fuel cell battery, an oxidizer supply means and an information display device with data input means. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между патрубком для установки источника водорода и батареей топливных элементов установлен запорный клапан.2. The device according to claim 1, characterized in that a shut-off valve is installed between the nozzle for installing the hydrogen source and the fuel cell battery. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средством для обдува платы управления и модуля электронной нагрузки.3. The device according to p. 1, characterized in that it is additionally equipped with a means for blowing the control board and electronic load module. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электрический порт для подключения внешней нагрузки.4. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises an electric port for connecting an external load. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для подачи окислителя представляет собой вентилятор.5. The device according to claim 1, characterized in that the means for supplying the oxidizing agent is a fan. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника водорода используют баллон с металлогидридом.6. The device according to claim 1, characterized in that a metal hydride balloon is used as a source of hydrogen. 7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что все элементы устройства расположены на основании.7. The device according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that all the elements of the device are located on the base. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что корпус имеет интерфейс.8. The device according to p. 7, characterized in that the housing has an interface.

Images