Устройство для изучения структуры и принципа действия топливного элемента

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. Устройство для изучения топливного элемента включает 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 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, клапан продувки, батарея топливных элементов, средство подачи окислителя и устройство отображения информации со средством ввода данных. 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. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

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.

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).

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.

Это особенно важно для начинающих специалистов (в частности, студентов).

В настоящее время существует большое количество подобных наглядных пособий, в частности, обучающих стендов, в разных областях техники.

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.

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.

Что же касается водородной энергетики, то из уровня техники не выявлено аналогов, в частности устройств (стендов) для изучения структуры и принципа действия топливного элемента.

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.

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.

Под окислителем в данном устройстве понимают кислород, в том числе из воздуха.

В качестве средства для подачи окислителя возможно использовать вентилятор. Причем вентилятор также выполняет функцию охлаждения батареи топливных элементов.

В качестве средства отображения информации можно использовать монитор.

Провода, соединяющие батарею топливных элементов с платой управления и модулем электронной нагрузки являются силовыми.

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.

Устройство может быть дополнительно оборудовано средством для обдува (охлаждения) платы управления и модуля электронной нагрузки, например, вентилятором.

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.

Устройство может дополнительно содержать квадратурный энкондер.

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).

Устройство может быть дополнительно снабжено датчиком водорода. Такой датчик позволяет аварийно отключить устройство в случае регистрации им утечки водорода во внешнюю среду.

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.

Все элементы устройства могут быть расположены на основании. В качестве основания может быть использован стол, стенд и т.п.

На основании могут быть расположены посадочные места для баллона с водородом и для запасных баллонов с водородом.

На корпусе может находиться интерфейс.

Предлагаемое изобретение поясняется рисунками.

На Фиг. 1 изображено устройство в сборе.

На Фиг. 2 схематично показаны соединения элементов

На Фиг. 1 присутствуют следующие обозначения:

1 - батарея топливных элементов

2 - клапан продувки

3 - понижающий газовый редуктор

4 - источник водорода (баллон с водородом)

5 - расходомер

6 - устройство отображения информации (на рисунке указан монитор)

7 - средство ввода данных (на рисунке указана клавиатура)

8 - плата управления и модуль электронной нагрузки

9 - трубки

10 - порт/клеммы для подключения внешней нагрузки

11 - квадратурный энкондер

12 - датчик водорода

13 - основание

14 - посадочное место для источника водорода (для баллона с водородом)

15 - посадочное место для дополнительных (запасных) баллонов с источником водородом

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)

Принцип работы устройства, являющегося тренажером для работы с топливным элементом:

Для работы устройства необходимы топливо и окислитель. В качестве топлива используют водород, а в качестве окислителя кислород из окружающего воздуха.

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).

Индикация измеренных и установленных величин осуществляется на мониторе 6 и на цифровом табло платы 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 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.

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.

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.

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.

Проведение лабораторно-практических занятий на предложенном устройстве позволяет изучить:

- Структуру, конструкцию и принцип действия топливного элемента;

- термодинамику топливного элемента;

- характеристическую кривую и кривую изменения мощности топливного элемента;

- коэффициент полезного действия;

- необходимые компоненты для формирования источников электропитания на основе топливных элементов автономного энергоснабжения устройств;

- силовую электронику и преобразование напряжения.

Режимы и параметры, которые возможно установить на предлагаемом устройстве:

Температура отключения: максимальная температура, при которой топливный элемент отключится от питания водорода и прекратит выработку электричества.

Режим работы вентиляторов обдува топливного элемента: режим постоянного потока воздуха (изменяется температура) и режим постоянной температуры (изменяется поток воздуха).

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).

Установка режима электронной нагрузки: режимы постоянного тока (изменяется напряжение), постоянного напряжения (изменяется ток) и постоянной мощности.

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.

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.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между патрубком для установки источника водорода и батареей топливных элементов установлен запорный клапан.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средством для обдува платы управления и модуля электронной нагрузки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электрический порт для подключения внешней нагрузки.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для подачи окислителя представляет собой вентилятор.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника водорода используют баллон с металлогидридом.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что все элементы устройства расположены на основании.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что корпус имеет интерфейс.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для обучения по инженерному курсу «Гидравлика» при проведении лабораторных работ. Сущность изобретения состоит в том, что устройство, содержащее напорный бак с подводом воды, внутри которого предусмотрена водосливная воронка для поддержания уровня воды и трубопровод, на котором установлены пьезометры для регистрации давления по длине трубопровода может изменять угол наклона трубопровода.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследования и моделирования процесса теплообмена. Лабораторная установка включает кожух с входным и выходным патрубками и размещенными внутри теплообменными элементами, термопары, установленные во входном и выходном патрубках кожуха, а также на входе и выходе теплообменных элементов, расходомер холодного потока и автоматизированную систему управления, соединенную каналами связи с термопарами и расходомером.

Стенд предназначен для моделирования рабочих процессов в тепловом двигателе для оптимизации режимов и элементов конструкции. Стенд включает корпус, рабочее тело в виде смеси газового и жидкого компонентов, емкость для размещения рабочего тела в виде системы камер, сообщающихся между собою посредством магистралей и управляющих элементов в виде клапанов, поршень, установленный в одной из камер с возможностью перемещения и образования надпоршневой и подпоршневой полостей, шатун, связанный механически с поршнем и маховиком, и теплообменник.

Изобретение относится к установкам для проведения учебных занятий по разделу «Влажный воздух» дисциплин «Техническая термодинамика» и «Теплотехника».

Изобретение относится к установкам для проведения учебных занятий по разделу «Влажный воздух» дисциплин «Техническая термодинамика» и «Теплотехника».

Изобретение относится к установкам для проведения учебных занятий. .

Изобретение относится к области термодинамики применительно к поведению микрочастиц вещества в тепловом поле и может быть использовано для установления природы их хаотического движения в вакууме.

Изобретение относится к лабораторным установкам и предназначено проведения учебных занятий по дисциплинам «Техническая термодинамика» и «Теплотехника».

Изобретение относится к области демонстрационных средств в области физики и предназначено для демонстрации процесса теплопроводности в ферромагнетиках, помещенных в магнитное поле.

Предложено устройство для демонстрации и исследования движения математического маятника при продольных колебаниях его подвеса, содержащее маятник в виде груза с подвесом, соединенным с источником его продольных механических колебаний.

Изобретение относится к устройствам для обучения по инженерному курсу «Гидравлика» при проведении лабораторных работ. Сущность изобретения состоит в том, что устройство, содержащее напорный бак с подводом воды, внутри которого предусмотрена водосливная воронка для поддержания уровня воды и трубопровод, на котором установлены пьезометры для регистрации давления по длине трубопровода может изменять угол наклона трубопровода.

Предложено устройство для демонстрации и исследования движения ансамбля математических маятников при продольных колебаниях его подвеса, содержащее ансамбль маятников в виде грузов с подвесами, имеющее общий источник продольных механических колебаний.

Группа изобретений относится к учебным пособиям, оборудованию для опытов и направлено на расширение функциональных возможностей, упрощение компоновки и повышение удобства использования конструктора.

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для демонстрационно-практического обучения студентов вузов и колледжей. Устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения политропного процесса и комбинированного теплообмена, содержащее персональный компьютер, к которому подключены монитор, звуковые колонки, блок аналого-цифровых преобразователей, клавишный блок управления, содержит установку для исследования политропного процесса, снабженную ручным насосом, представляющим собой гидроцилиндр с поршнем, снабженным ручкой, который с помощью всасывающего, напорного и сливного шлангов соединен с канистрой-бидоном и цилиндром, на верхнем фланце которого установлены манометр и датчик давления, соединенный с блоком аналогово-цифровых преобразователей, и установку для исследования тепловых процессов, выполненную в виде комбинированного теплообменника на подставке, представляющего собой алюминиевую трубу, внутри которой установлен электронагреватель, причем пространство между ним и трубой заполнено теплоизолирующим материалом, а на поверхности трубы имеется отверстие со штуцером для возможности доступа к электронагревателю и замера температуры его нагрева.

Предлагаемое изобретение относится к игрушкам и может быть использовано в развлечениях, а также в качестве средства обучения и объекта исследований в механике. Сущностью является многореверсный кельт, установленный на опоре с вогнутой сферической поверхностью, с выпуклым основанием тела кельта, имеющим различающиеся в продольном и поперечном сечениях радиусы кривизны и плоскость симметрии основания тела кельта, не совпадающую с главной центральной осью инерции тела.

Изобретение относится к устройствам для проведения лабораторных работ по курсу «Сопротивление материалов». Оно состоит из основания, вертикальной стойки, приваренной к основанию, наверху которой имеется отверстие для шарнирного соединения рычага-нагружателя со стойкой.

Изобретение относится к учебным наглядным пособиям и к научным приборам, предназначенным для визуализации пространственного строения углеродных нанотрубок и наноконусов.

Изобретение относится к демонстрационным приборам по физике. Стеклянная трубка с изменяющемся сечением и прогнутой вверх узкой частью заполнена подкрашенным раствором медного купороса и через медные контакты подключена к сети напряжением 220В.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики. На противоположных сторонах подвижной муфты первыми концами шарнирно соединены две тяги.

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики, а именно к устройству 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. Устройство для изучения топливного элемента включает 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 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, клапан продувки, батарея топливных элементов, средство подачи окислителя и устройство отображения информации со средством ввода данных. 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. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх