Модульная система топливных элементов и способ разогрева системы топливных элементов с несколькими модулями
Изобретение относится к области электротехники, а именно к модульной системе (1) топливных элементов, в частности модульной SOFC-системе, включающей в себя несколько модулей (2) для предоставления электрической энергии, при этом каждый модуль (2) имеет холодный бокс (9) и горячий бокс (10); источник (3) воздуха и трубопровод (4) подачи воздуха, при этом модули (2) через трубопровод (4) подачи воздуха соединены с источником (3) воздуха; источник (5) топлива и трубопровод (6) подачи топлива, при этом модули (2) через трубопровод (6) подачи топлива соединены с источником (5) топлива; и по меньшей мере одно устройство (7) управления. Повышение эффективности работы топливных элементов является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, в трубопроводе (4) подачи воздуха ниже по потоку от источника (3) воздуха расположена по меньшей мере одна воздуходувка (11), и каждый модуль (2) включает в себя по меньшей мере одно регулировочное устройство для регулирования подачи воздуха, в частности клапан для регулирования подачи (12) воздуха. В модульной системе каждый модуль отдельно и независимо от всех других модулей может доводиться до определенной рабочей температуры. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение касается модульной системы топливных элементов, в частности модульной SOFC-системы, включающей в себя несколько модулей для предоставления электрической энергии, при этом каждый модуль имеет холодный бокс и горячий бокс; источник воздуха и трубопровод подачи воздуха, при этом модули через трубопровод подачи воздуха соединены с источником воздуха; источник топлива и трубопровод подачи топлива, при этом модули через трубопровод подачи топлива соединены с источником топлива; по меньшей мере одно устройство управления.
Также изобретение касается применения такой модульной системы топливных элементов.
Кроме того, изобретение касается способа разогрева системы топливных элементов несколькими модулями.
Системы топливных элементов известны из уровня техники и применяются, например, в работающем от аккумуляторной батареи автомобиле для энергоснабжения аккумуляторной батареи. Соответствующие системы топливных элементов выполнены, например, в виде SOFC-систем (англ. solid oxide fuel cell, твердоокисный топливный элемент), и могут работать на жидком горючем, таком как природный газ, дизельное топливо или этанол, или газообразном горючем, таком как газообразный природный газ (англ. compressed natural gas, сжатый природный газ).
Известные из уровня техники системы топливных элементов включают в себя обычно преобразователь один или несколько теплообменников, пусковую горелку, дожигатель и одну или несколько батарей топливных элементов, имеющие каждая катодный участок и анодный участок. Чтобы можно было предоставлять достаточно электрической энергии, необходимо выполнить отдельные компоненты с соответствующим размером. Это связано с проблемами, в частности, при процессе пуска системы топливных элементов. Указанная или указанные батареи топливных элементов должны по возможности равномерно доводиться до рабочей температуры. Это является не только дорогостоящим, но и трудоемким, так как необходимы несколько элементов. В частности, когда система топливных элементов имеет больше одной батареи топливных элементов, ее нагрев, определенно, может оказаться проблематичным. А именно, обычно все батареи топливных элементов нагреваются одним общим трубопроводом подачи воздуха на катод. То есть независимый нагрев батареи топливных элементов невозможен. Помимо этого, при этом также обязательно, чтобы всегда все батареи топливных элементов одновременно находились в одном рабочем режиме.
Здесь применяется это изобретение. Задачей изобретения является предложить модульную систему топливных элементов вышеназванного вида, которая обладает возможностью эффективной работы и управления.
Также целью является предложить применение такой системы топливных элементов.
Другой целью является предложить способ разогрева системы топливных элементов, имеющей несколько модулей.
Задача в соответствии с изобретением решается таким образом, что у модульной системы топливных элементов вышеназванного вида в трубопроводе подачи воздуха ниже по потоку от источника воздуха расположена воздуходувка, и каждый модуль имеет по меньшей мере одно регулировочное устройство для регулирования подачи воздуха, в частности клапан для регулирования подачи воздуха.
Достигнутое при этом преимущество видится, в частности, в том, что при этом каждый модуль может работать отдельно и независимо от остальных модулей. Воздуходувка, которая расположена в трубопроводе подачи воздуха ниже по потоку от источника воздуха, нагнетает воздух в направлении всех модулей. Трубопровод подачи воздуха включает в себя несколько частичных трубопроводов подачи воздуха, при этом, в частности, для каждого модуля предусмотрен один частичный трубопровод подачи воздуха. Частичные трубопроводы подачи воздуха ответвляются каждый от трубопровода подачи воздуха в направлении одного модуля, в частности в направлении холодного бокса каждого модуля. По трубопроводу подачи воздуха, соответственно, каждому из частичных трубопроводов подачи воздуха каждый катодный участок батареи топливных элементов и вместе с тем также сама батарея топливных элементов опосредствованно нагревается воздухом. Клапаны для регулирования подачи воздуха позволяют осуществлять индивидуальную настройку и/или управление количеством воздуха, которое подается к каждому модулю. Путем настройки количества воздуха может также опосредованно осуществляться управление и регулирование температуры воздуха и/или давления воздуха. Управление клапанами возможно с помощью устройства управления. Соответствующие источники рабочей текучей среды через трубопровод подачи воздуха и трубопровод подачи топлива гидродинамически соединены с отдельными модулями. В рамках изобретения под клапанами следует понимать вообще регулировочные устройства, например, также дроссельные заслонки. В частности, регулировочные устройства в соответствии с изобретением могут быть выполнены в виде активных или пассивных конструктивных элементов.
С помощью предлагаемой изобретением модульной системы топливных элементов удалось избежать тех известных из уровня техники проблем, что при применении двух или больше батарей топливных элементов в одной системе топливных элементов трудно или даже почти невозможно равномерно доводить все батареи топливных элементов до предопределенной рабочей температуры. А именно, в отличие от известной из уровня техники системы, теперь предусмотрена уже не только одна единственная подача воздуха ко всем батареям топливных элементов, но и каждый модуль, соответственно, каждая батарея топливных элементов может отдельно снабжаться воздухом, что, в частности, является преимуществом при процессе разогрева системы топливных элементов. Далее, это является преимуществом также в рабочем режиме, так как в зависимости от ухудшения и/или рабочей точки указанной или указанных батарей топливных элементов подаваемое к ней, соответственно, к ним количество воздуха для охлаждения может регулироваться индивидуально для каждого модуля. Другим преимуществом является, что один или несколько из общего количества модулей могут также работать в режиме частичной нагрузки.
Под источником воздуха в рамках изобретения следует понимать источник, который предоставляет кислородосодержащую текучую среду, в частности газообразную кислородосодержащую текучую среду. Особенно предпочтительно в качестве воздуха применяется окружающий воздух, хотя под воздухом может также пониматься чистый кислород или газообразная текучая среда, имеющая более высокую долю кислорода. Под источником топлива в рамках изобретения следует понимать источник, который предоставляет топливо или смесь воды и топлива. В частности, применяется газообразное топливо, особенно предпочтительно газообразный природный газ. Топливо и воздух оба являются рабочими текучими средами системы топливных элементов. Воздуходувка выполнена в виде катодной воздуходувки, то есть она нагнетает воздух в направлении каждого катодного участка батареи топливных элементов каждого модуля.
Хотя могут быть также предусмотрены две катодные воздуходувки, которые работают, будучи включены параллельно, в соответствии с изобретением, в частности, предусмотрена одна единственная воздуходувка, которая нагнетает воздух в направлении всех модулей. При этом может быть предпочтительно, когда непосредственно ниже по потоку от воздуходувки в трубопроводе подачи воздуха расположен расходомер (англ. mass flow meter). Так как такая воздуходувка является относительно дорогостоящей, при применении одной единственной воздуходувки затраты на предлагаемую изобретением систему топливных элементов дополнительно снижаются, при этом легко можно с помощью одной единственной воздуходувки посредством управления клапанами для регулирования подачи воздуха индивидуально снабжать воздухом все модули. В том и другом вариантах (одна или две воздуходувки) воздуходувки расположены в любом случае вне модулей и нагнетают воздух в направлении соответствующих модулей, причем эта воздуходувка выполнена и расположена, соответственно, эти воздуходувки выполнены и расположены для снабжения воздухом всех модулей.
Применение одного единственного источника воздуха и одного единственного источника топлива в комбинации с отдельными модулями делает возможным относительно конструктивно малое и вместе с тем экономичное исполнение модулей. Несмотря на наличие только одного единственного источника воздуха и только одного единственного источника топлива, модули, соответственно, батареи топливных элементов могут снабжаться рабочими текучими средами независимо друг от друга.
Под горячим боксом в рамках изобретения следует понимать ту область, в которой расположены элементы, которые имеют и/или которым нужна для работы более высокая температура, чем тем элементам, которые расположены в холодном боксе. В частности, следует понимать область, в частности термически закрытую снаружи, которая образована корпусом или включает в себя корпус. При этом может быть предусмотрено, чтобы каждый горячий бокс каждого модуля имел собственный корпус. Однако в соответствии с изобретением может быть также предусмотрено, чтобы горячие боксы двух, трех или больше, в частности всех модулей имели один общий термически изолирующий корпус. Всегда важно, чтобы горячие боксы модулей были логически отделены друг от друга, и все расположенные в них элементы были предусмотрены каждый для каждого модуля.
Соответственно этому под холодным боксом в рамках изобретения следует понимать, в частности, термически закрытую снаружи область, причем эта область закрыта снаружи корпусом или одной общей оболочкой. При этом, в свою очередь, может быть предусмотрено, чтобы каждый холодный бокс каждого модуля имел собственный корпус. Однако в соответствии с изобретением может быть также предусмотрено, чтобы холодные боксы двух, трех или больше, в частности всех модулей имели один общий термически изолирующий корпус. Всегда важно, чтобы холодные боксы модулей были логически отделены друг от друга, и все расположенные в них элементы были предусмотрены каждый для каждого модуля.
Температура внутри горячего бокса, как правило, выше, чем в холодном боксе, при этом расположенные в них элементы выполнены и/или расположены соответственно необходимой или предопределенной температуре в горячем боксе или холодном боксе. Следовательно, в соответствии с изобретением обязательно, чтобы холодный бокс (холодные боксы) и горячий бокс (горячие боксы) были соответственно термически и механически отделены друг от друга, независимо от того, предусмотрен ли для каждого модуля горячий бокс и/или холодный бокс, имеющий соответственно собственный корпус, или один корпус для нескольких горячих боксов, соответственно, холодных боксов. В соответствии с изобретением также целесообразно, когда все батареи топливных элементов электрически изолированы друг от друга.
Также под устройством управления в рамках изобретения следует понимать корпус, внутри которого расположены несколько электрических и/или электронных элементов для связи с модулем. В принципе, устройство управления может быть выполнено в виде электронного контрольного устройства, которое может включать в себя несколько устройств ввода и вывода, контрольных модулей, сенсоров и устройство оценки, например, для оценки, управления и/или адаптации давления или температуры элементов в холодном боксе или горячем боксе. При этом может быть предусмотрено, чтобы устройство управления управляло всеми модулями и поддерживало связь с ними. В частности, устройство управления идентично главному регулировочному устройству.
По сути, каждый модуль представляет собой собственную систему топливных элементов, которая может также работать индивидуально с источником топлива, источником воздуха и катодной воздуходувкой. Следовательно, воздуходувка гидродинамически соединена со всеми клапанами для регулирования подачи воздуха, а также с источником воздуха, причем этот источник воздуха расположен выше по потоку от воздуходувки, а соответствующие клапаны ниже по потоку от воздуходувки. Поэтому также каждый модуль отдельно выполнен для предоставления электрической энергии. Тогда энергия по одному общему высоковольтному проводу ведется в направлении преобразователя постоянного напряжения и в итоге аккумулируется, например, в аккумуляторной батарее.
Источник воздуха и источник топлива гидродинамически соединены соответственно через трубопровод подачи воздуха и трубопровод подачи топлива с холодным боксом каждого модуля, при этом холодный бокс и горячий бокс каждого модуля гидравлически соединены друг с другом. Может быть предпочтительно, когда наряду с устройством управления предусмотрено по меньшей мере еще устройство связи. Это устройство связи поддерживает связь и с соответствующим холодным боксом, и с устройством управления, поэтому оно соединено с холодным боксом и устройством управления для связи и/или для обмена данными. В частности, они соединены электрическим соединением.
В частности, предпочтительно, когда все модули системы топливных элементов выполнены конструктивно одинаково. При этом вся система топливных элементов может изготавливаться просто и эффективно. В случае если какой-либо модуль уже не работоспособен, он может просто и без больших издержек заменяться. Помимо этого, отдельные компоненты каждого модуля, в частности те, которые расположены в горячем боксе и/или холодном боксе, меньше и поэтому могут изготавливаться, а также могут работать более экономично, чем у известных из уровня техники систем топливных элементов.
Предпочтительно, когда каждый модуль включает в себя регулировочное устройство для регулирования подачи топлива, в частности клапан для регулирования подачи топлива. То есть для каждого модуля предусмотрен клапан для настройки количества топлива для каждой системы топливных элементов, благодаря чему возможно также управление и возможно регулирование температуры топлива и/или давления топлива индивидуально для каждого модуля. В частности, в комбинации с индивидуальным управлением подачей воздуха каждый модуль может при этом работать индивидуально и независимо от остальных модулей. Так, например, могут также работать одновременно только один, два или несколько модулей, в то время как один, два или больше модулей выключаться. Далее, при этом можно адаптировать количество воздуха и количество топлива к данной производительности одной, соответственно, нескольких батарей топливных элементов модуля.
Предпочтительно, когда трубопровод подачи воздуха включает в себя несколько частичных трубопроводов подачи воздуха, а трубопровод подачи топлива несколько трубопроводов подачи топлива. При этом данные частичные трубопроводы подачи воздуха отделяются от трубопровода подачи воздуха и ведут в направлении холодного бокса каждого модуля, а данные частичные трубопроводы подачи топлива отделяются от трубопровода подачи топлива и тоже ведут в направлении холодного бокса каждого модуля. Клапаны для управления подачей воздуха и для управления подачей топлива предпочтительно расположены в соответствующих частичных трубопроводах подачи воздуха или частичных трубопроводах подачи топлива, а также, в частности, внутри холодного бокса.
Предпочтительно, когда холодный бокс включает в себя несколько клапанов, инжекторов и сенсоров. Помимо этого, может быть предусмотрен расходомер, который выполнен для измерения массового потока воздуха и, в частности, расположен выше по потоку от клапана для регулирования количества воздуха. Указанные или указанный инжектор выполнен, в частности, для ввода топлива или воздуха в преобразователь и/или испаритель и/или пусковую горелку. Предпочтительно, когда для каждого модуля расположены по несколько клапанов для настройки подачи воздуха к одному катодному участку, одному преобразователю и одной горелке. Холодный бокс выполнен таким образом, что все расположенные в нем конструктивные элементы расположены внутри собственного общего корпуса. Предпочтительно в нем предусмотрены конструктивные элементы, которые чувствительны к теплу и поэтому конструктивно должны держаться отдельно от конструктивных элементов, которые имеют более высокую температуру, чем элементы в холодном боксе. Отдельные элементы холодного бокса соединены с устройством управления и/или устройством связи для управления и связи.
Особенно предпочтительно, когда клапан для регулирования подачи воздуха и клапан для регулирования подачи топлива расположены в холодном боксе каждого модуля. Тем не менее, они могут быть также расположены вне холодного бокса. В каждом случае клапаны расположены в соответствующем частичном трубопроводе подачи воздуха и частичном трубопроводе подачи топлива.
Для оптимального управления клапанами клапаны для регулирования подачи воздуха выполнены в виде управляемых дроссельных клапанов. В частности, также клапаны для регулирования подачи топлива выполнены также в виде управляемых дроссельных клапанов. Тогда имеется возможность управления и возможность регулирования этих клапанов посредством элементов устройства связи и/или посредством устройства управления. В частности, может быть предусмотрено, чтобы данные клапаны опосредствованно через элементы устройства связи, через устройство управления поддерживали связь друг с другом.
Предпочтительно также, когда горячий бокс включает в себя по меньшей мере один первый теплообменник, преобразователь (риформер), по меньшей мере одну горелку и по меньшей мере одну батарею топливных элементов, имеющую анодный участок и катодный участок. То есть элементы каждого модуля, которые имеют высокую температуру, расположены внутри одной общей оболочки или корпуса. Предпочтительно, когда каждый модуль имеет ровно одну батарею топливных элементов или ровно две батареи топливных элементов. Предпочтительно, когда первый теплообменник расположен в трубопроводе подачи на катод, чтобы доводить воздух, который направляется к катодному участку, до соответственно предопределенной температуры. Расположение и исполнение каждого собственного первого теплообменника, во-первых, позволяет отдельным горячим боксам, соответственно, модулям работать отдельно друг от друга. Для этого воздух нагревается отработанным газом топливных элементов, который направляется по теплой стороне теплообменника. Далее, в частности, непосредственно выше по потоку от батареи топливных элементов может быть расположен второй теплообменник, который компенсирует разность температур между испаренным и преобразованным топливом и воздухом, так что две рабочие текучие среды подаются в батарею топливных элементов с одинаковой или приблизительно одинаковой температурой. Если предусмотрены две или больше батарей топливных элементов, предпочтительно, когда один и тот же второй теплообменник доводит две рабочие текучие среды до одной общей температуры, и они подаются ниже по потоку от второго теплообменника к различным батареям топливных элементов. Целесообразно, когда предусмотрен третий теплообменник, который, в частности, включает в себя испаритель, чтобы испарять топливо выше по потоку от преобразователя (риформера). Через теплую сторону третьего теплообменника протекает рециркулирующий отработанный газ. Хотя горелка одновременно может быть выполнена в виде пусковой горелки и в виде дожигателя, предпочтительно, когда для этого предусмотрены два отдельных конструктивных элемента. То есть предпочтительно предусмотрены пусковая горелка для нагрева элементов внутри горячего бокса на фазе пуска системы топливных элементов и дожигатель для полного сжигания отработанного газа топливных элементов. Тогда с помощью данной пусковой горелки и подачи топлива к ней может регулироваться и может определяться температура батареи топливных элементов. В пусковую горелку воздух подается либо с помощью воздуходувки, либо, через своего рода сопло Вентури, из окружающей среды. Дожигатель расположен в трубопроводе отработанного газа ниже по потоку от указанной или указанных батарей топливных элементов и выше по потоку от первого теплообменника. Важно, чтобы каждый модуль, соответственно, каждый горячий бокс предлагаемой изобретением системы топливных элементов имел собственный преобразователь, так чтобы преобразование топлива для каждого модуля могло осуществляться независимо друг от друга. Особенно предпочтительно, когда дожигатель и преобразователь выполнены в виде одного интегрального конструктивного элемента, при этом дожигатель кольцеобразно расположен вокруг преобразователя. Тогда через промежуточную стенку между преобразователем и дожигателем осуществляется теплопередача от дожигателя к преобразователю. При этом от дожигателя в преобразователь передается энергия, необходимая для эндотермически совершающегося преобразования.
Также предпочтительно, когда каждый модуль имеет собственное устройство связи, причем это устройство связи выполнено для индивидуального управления данным модулем и включает в себя несколько электрических и/или электронных элементов. То есть, наряду с указанным устройством управления, предусмотрено по меньшей мере одно другое устройство, которое имеет несколько электронных и/или электрических элементов. В частности, каждый модуль имеет собственное устройство связи. Тем не менее, может быть также предусмотрено одно единственное устройство связи для всех модулей, которое поддерживает связь с устройством управления. Устройство управления выполнено для того, чтобы осуществлять управление, контроль и слежение за всем модулем, при этом, в частности, каждое устройство связи находится в соединении с устройством управления. Для этого каждое устройство связи включает в себя предпочтительным образом все электрические и/или электронные элементы, которые необходимы для управления системой топливных элементов, в частности, кроме управления подачей рабочих текучих сред, что осуществляется с помощью устройства управления. Также устройство связи считывает данные из сенсоров холодного бокса. Если какой-либо модуль неисправен, он выключается устройством связи и связывается с устройством управления. Остальные модули не затронуты ошибкой в одном единственном модуле, поэтому система топливных элементов может легко продолжать работать. Впрочем, в случае возникновения заранее определенной тяжелой ошибки может быть целесообразно, отключить всю систему топливных элементов, то есть все модули.
Однако может быть также предпочтительно, когда все модули имеют одно общее устройство связи. То есть может быть предусмотрено, чтобы устройства связи всех модулей были выполнены как одно общее устройство связи или были объединены в одно общее устройство связи. Программное обеспечение устройства связи в этом варианте осуществления одно и то же для всех, при этом оно обслуживает модули как отдельные инстанции. Все другие вышеприведенные функции и составные части предпочтительно предусмотрены также в варианте осуществления одного общего устройства связи для всех модулей.
Устройство управления и устройство (устройства) связи имеют, в частности, каждое также доступ к высоковольтному проводу, так что они или их элементы могут снабжаться электрической энергией.
Предпочтительно, когда каждый модуль закрыт снаружи корпусом, причем внутри этого корпуса расположены устройство связи, холодный бокс и горячий бокс. Это значит, что хотя и устройство связи, и холодный бокс и горячий бокс имеют закрытый корпус, но каждый модуль сам дополнительно закрыт корпусом снаружи. При модульной конструкции системы топливных элементов возможно ее экономичное изготовление, так как, по сути, должен разрабатываться и изготавливаться только один маленький модуль, который потом часто монтируется, соответственно, демонтируется. Модуль меньшего размера, то есть меньшего размера система топливных элементов, проще и экономичнее в разработке и изготовлении, чем известные из уровня техники системы топливных элементов. Несмотря на это, при применении нескольких модулей, можно, напр. при применении в автомобиле, предоставлять достаточно электрической энергии для его привода от аккумуляторной батареи.
Однако, как описано выше, может быть также предпочтительно, когда горячие боксы всех модулей имеют только один общий корпус и/или холодные боксы всех модулей имеют только один общий корпус.
Целесообразно, когда управление подачей воздуха и топлива от источника воздуха и источника топлива к каждому модулю может осуществляться с помощью главного регулировочного устройства. При этом предпочтительно, когда главное регулировочное устройство поддерживает связь как с каждым устройством связи, так и наружу. Если, например, проблемы разогрева модуля соответствующим устройством связи передаются главному регулировочному устройству, главное регулировочное устройство соответственно адаптирует подачу воздуха и/или топлива, чтобы иметь возможность реагировать на трудности.
При этом также предпочтительно, когда главное регулировочное устройство поддерживает связь с каждым из устройств связи, при этом главное регулировочное устройство выполнено для слежения за рабочим состоянием модулей. Главное регулировочное устройство может включать в себя главный блок, главное управление и несколько электрических и/или электронных компонентов.
Предпочтительно, когда для всех модулей предусмотрен один общий трубопровод отработанного газа. То есть полностью сожженный и отдавший тепло отработанный газ ниже по потоку от горячего бокса объединяется в одном общем трубопроводе отработанного газа и после этого выпускается в окружающую среду или какую-либо емкость. Отдельные модули, точнее говоря, соответствующие горячие боксы ниже по потоку от них гидродинамически соединены через трубопровод отработанного газа.
В принципе, предлагаемая изобретением система топливных элементов может работать на любом жидком или газообразном топливе или жидкой смеси топлива и воды. Особенно предпочтительно, однако, когда в качестве топлива предусмотрен газообразный природный газ.
Применение предлагаемой изобретением системы топливных элементов осуществляется предпочтительно для снабжения по меньшей мере одной аккумуляторной батареи автомобиля электрической энергией.
Например, предлагаемая изобретением модульная система топливных элементов может применяться в увеличителе запаса хода (англ. range extender) в электромобиле. Это предпочтительно, в частности, для энергоэффективного перехода между режимом городской езды и режимом езды по сельской местности. Такая система топливных элементов может, в частности, включать в себя пять модулей, которые в режиме езды по сельской местности, в котором привод электромобиля осуществляется за счет предоставляемой системой топливных элементов электрической энергии, все включены и работают для предоставления электрической энергии. В режиме городской езды, в отличие от этого, до четырех модулей могут выключаться. Во-первых, потому что электрическая энергия больше не нужна, а во-вторых, благодаря этому удается избежать проблемы полной зарядки аккумуляторной батареи для накопления электрической энергии через определенный отрезок времени.
В принципе, предлагаемая изобретением система топливных элементов позволяет автомобилю, имеющему такую систему, работать также в режиме частичной нагрузки. У известной из уровня техники системы топливных элементов режим частичной нагрузки проблематичен, поскольку не допускается превышение некоторой предопределенной температуры указанной или указанных батарей топливных элементов, из-за чего в области частичной нагрузки часто должна предоставляться термическая энергия. Однако в соответствии с изобретением отдельные модули могут легко выключаться, так как остальные модули, соответственно, их температура не затронута.
Другая цель достигается, когда в способе вышеназванного вида предусмотрены следующие этапы:
- подача воздуха по трубопроводу подачи воздуха в направлении соответствующего модуля батареи топливных элементов;
- подача топлива по трубопроводу подачи топлива в направлении соответствующего модуля батареи топливных элементов;
- индивидуальное регулирование подачи воздуха и/или подачи топлива для каждого модуля.
Достигаемое при этом преимущество видится, в частности, в том, что при предлагаемом изобретением способе каждый модуль отдельно и независимо от всех других модулей может доводиться до некоторой предопределенной рабочей температуры. Благодаря индивидуальному разогреву, в частности указанных или указанной батареи топливных элементов, возможно, чтобы разогревались только те батареи топливных элементов, которые нужны в этот момент времени. Для подачи воздуха в направлении каждого модуля в трубопроводе подачи воздуха расположена воздуходувка. В частности, предусмотрена одна единственная воздуходувка для всех модулей. Благодаря этому, во-первых, снижено количество компонентов, а во-вторых, модули, несмотря на это, могут разогреваться индивидуально, потому что для каждого модуля предусмотрен по меньшей мере один клапан для регулирования подачи воздуха и по меньшей мере один клапан для регулирования подачи топлива.
Остальные преимущества и функции, связанные с принципом действия модульной системы топливных элементов, аналогичны подробно описанным выше применительно к предлагаемой изобретением системе топливных элементов.
При этом также предпочтительно, когда управление и слежение за каждым модулем осуществляется индивидуально. Для этого каждый модуль включает в себя собственное устройство связи, которое поддерживает связь с главным регулировочным устройством. Тогда главное регулировочное устройство управляет индивидуальной подачей воздуха и топлива к отдельным модулям. При этом предпочтительно, когда от каждого устройства связи главному регулировочному устройству передаются данные, такие как, например, температура топливных элементов или массовые потоки рабочих текучих сред. Тогда главное регулировочное устройство может реагировать на переданные данные или результаты измерений адаптацией подаваемого количества воздуха и/или количества топлива. Путем регулирования количества воздуха, соответственно, количества топлива может также регулироваться и/или адаптироваться соответствующая температура и/или соответствующее давление.
Далее, предпочтительно, когда подача воздуха к пусковой горелке регулируется клапаном для регулирования подачи воздуха и клапаном для регулирования подачи топлива, при этом каждый модуль включает в себя собственную пусковую горелку. Поэтому каждый модуль может запускаться независимо от всех других модулей, так как каждый горячий бокс каждого модуля включает в себя собственную пусковую горелку и предпочтительно также собственный теплообменник в трубопроводе подачи на катод, а также собственный клапан для регулирования подачи воздуха. При предлагаемом изобретением способе особенно предпочтительно, когда каждый модуль выполнен в виде как бы самостоятельной системы топливных элементов.
Другие преимущества, признаки и эффекты следуют из представленных ниже примеров осуществления. На чертежах, на которые при этом делается ссылка, показано:
фиг.1: вид модульной, предлагаемой изобретением системы топливных элементов;
фиг.2: вид другой предлагаемой изобретением системы топливных элементов;
фиг.3: вид другой предлагаемой изобретением системы топливных элементов.
На фиг.1 показана предлагаемая изобретением модульная система 1 топливных элементов, имеющая три модуля 2. Каждый из модулей 2 включает в себя устройство 8 связи, холодный бокс 9 и горячий бокс 10. Система 1 топливных элементов имеет также для каждого модуля 2 один общий источник 3 воздуха и один общий источник 5 топлива. Ниже по потоку от источника 3 воздуха предусмотрена воздуходувка 11 для нагнетания воздуха в отдельные модули 2, при этом воздух подается в трубопроводе 3 подачи воздуха. Чтобы подавать воздух к отдельным модулям, трубопровод 4 подачи воздуха включает в себя несколько частичных трубопроводов 41, 42, 43 подачи воздуха, которые ответвляются каждый от трубопровода 4 подачи воздуха. Соответственно этому топливо по трубопроводу 6 подачи топлива, соответственно, частичным трубопроводам 61, 62, 63 подачи топлива подается в направлении модулей 2. Ниже по потоку от модулей 2 полностью сожженный отработанный газ объединяется в одном общем трубопроводе 21 отработанного газа и выпускается в окружающую среду 23.
В соответствии с изобретением как элементы устройства 8 связи, так и холодный бокс 9 и горячий бокс 10 расположены каждый в одном общем корпусе. Помимо этого, также каждый модуль 2 включает в себя собственный корпус 22. Поэтому при монтаже, демонтаже или замене можно просто заменять модуль 2 как один общий узел.
Помимо этого, модульная система 1 топливных элементов включает в себя еще устройство 7 управления, которое поддерживает связь как с отдельными устройствами 8 связи, так и с внешним миром.
На фиг.2 показана другая предлагаемая изобретением система 1 топливных элементов. На ней в деталях показаны отельные элементы для модуля 1. Холодный бокс 9 включает в себя несколько клапанов 12, 24, инжекторы 14a, 14b, 25 и сенсоры 15a, 15b, 15c. Сенсоры 15a, 15b, 15c выполнены в виде массовых расходомеров, и в направлении потока через них протекает сначала воздух. Ниже по потоку от первого сенсора 15 предусмотрен клапан для подачи воздуха 24 к преобразователю 17, который расположен в горячем боксе 10. Ниже по потоку от второго сенсора 15b предусмотрен клапан для регулирования подачи 12 воздуха. С помощью этого клапана для регулирования подачи 12 воздуха возможно регулирование и возможно управление количеством воздуха индивидуально для каждого модуля, благодаря чему опосредованно могут также адаптироваться температура воздуха и давление воздуха. Воздух через клапан 12 подается к расположенной в горячем боксе пусковой горелке 18a. Ниже по потоку от третьего сенсора 15c предусмотрен инжектор 14a, через который воздух может вводиться в первый теплообменник 16 (расположенный в горячем боксе). Помимо этого, холодный бокс включает в себя инжектор 14b для ввода топлива в расположенную в горячем боксе пусковую горелку 18a и инжектор 25 для подачи топлива к преобразователю 17. Выше по потоку от пусковой горелки 18, в частности внутри холодного бокса 9, воздух смешивается с топливом, и возникающая при этом смесь топлива и воздуха подается в пусковую горелку 18a.
Горячий бокс включает в себя, наряду с уже указанной пусковой горелкой 18a, первым теплообменником 16 и преобразователем 17, еще дожигатель 18b, второй теплообменник 28 и батарею 19 топливных элементов с анодным участком и катодным участком. Помимо этого, предусмотрен анодный рециркуляционный трубопровод 27, по которому анодный отработанный газ через форсунку 26 может снова подаваться в преобразователь 17. В соответствии с изобретением пусковая горелка 18a и дожигатель 18b могут быть выполнены также в виде одного общего конструктивного элемента.
Устройство 8 связи включает в себя несколько электронных элементов: преобразователь 20a частоты тока, систему 20b последовательной шины, блок 20c ввода-вывода, несколько сенсоров 20d давления и сенсоры температуры (при этом не все сенсоры показаны на фиг.), устройства 20e контроля и управления, электрический блок для защиты анодного участка 20f, а также один или несколько электронных выключателей 20g.
На фиг.3 показано другое схематичное изображение предлагаемой изобретением модульной системы 1 топливных элементов, на котором, в частности, изображены элементы холодного бокса 9. В холодном боксе и горячем боксе расположены несколько сенсоров температуры (в частности, в горячем боксе) и сенсоров давления (в частности, в холодном боксе), которые электрически соединены с блоком 20c ввода-вывода устройства 8 связи. Тогда устройство 8 связи далее через систему 20b последовательной шины поддерживает связь с устройством 7 управления. Электрическое подключение имеющихся клапанов 12, 24 и инжекторов 14a, 14b холодного бокса 9 осуществляется либо через блок 7 управления, либо через блок 20c ввода-ввода. Все системы и преимущества, приведенные в этих примерах осуществления, относятся также к другим примерам осуществления, в частности, когда предусмотрено только одно единственное устройство 8 связи для всех модулей 2.
1. Модульная система (1) топливных элементов, в частности модульная SOFC-система, включающая в себя:
- несколько модулей (2) для предоставления электрической энергии, при этом каждый модуль (2) имеет холодный бокс (9) и горячий бокс (10);
- источник (3) воздуха и трубопровод (4) подачи воздуха, при этом модули (2) через трубопровод (4) подачи воздуха соединены с источником (3) воздуха;
- источник (5) топлива и трубопровод (6) подачи топлива, при этом модули (2) через трубопровод (6) подачи топлива соединены с источником (5) топлива;
- по меньшей мере одно устройство (7) управления,
отличающаяся тем, что
в трубопроводе (4) подачи воздуха ниже по потоку от источника (3) воздуха расположена по меньшей мере одна воздуходувка (11), и каждый модуль (2) включает в себя по меньшей мере одно регулировочное устройство для регулирования подачи воздуха, в частности клапан для регулирования подачи (12) воздуха.
2. Модульная система (1) топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что каждый модуль (2) имеет по меньшей мере одно регулировочное устройство для регулирования подачи (13) топлива, в частности клапан для регулирования подачи (13) топлива.
3. Модульная система (1) топливных элементов по п.1 или 2, отличающаяся тем, что трубопровод (4) подачи воздуха включает в себя несколько частичных трубопроводов (41, 42, 43) подачи воздуха, а трубопровод (6) подачи топлива несколько трубопроводов (61, 62, 63) подачи топлива.
4. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что холодный бокс (9) включает в себя несколько клапанов (12, 13, 24), инжекторов (14a, 14b, 14c) и сенсоров (15a, 15b, 15c).
5. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.2-4, отличающаяся тем, что в холодном боксе (9) каждого модуля (2) расположен клапан для регулирования подачи (12) воздуха и клапан для регулирования подачи (13) топлива.
6. Модульная система (1) топливных элементов по п.5, отличающаяся тем, что клапаны для регулирования подачи (12) воздуха выполнены в виде управляемых дроссельных клапанов.
7. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-6, отличающаяся тем, что горячий бокс (10) включает в себя по меньшей мере один первый теплообменник (16), преобразователь (17), по меньшей мере одну горелку (18a, 18b) и по меньшей мере одну батарею (19) топливных элементов, имеющую анодный участок и катодный участок.
8. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что каждый модуль (2) имеет собственное устройство (8) связи, причем это устройство (8) связи выполнено для соответствующего индивидуального управления модулем (2) и включает в себя несколько электрических и/или электронных элементов (20).
9. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что все модули (2) имеют одно общее устройство (8) связи.
10. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-9, отличающаяся тем, что каждый модуль (2) закрыт снаружи корпусом (22), при этом внутри корпуса (22) расположены устройство (8) связи, холодный бокс (9) и горячий бокс (10).
11. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-10, отличающаяся тем, что управление подачей воздуха и топлива от источника (3) воздуха и источника (5) топлива к соответствующему модулю (2) может осуществляться с помощью главного регулировочного устройства.
12. Модульная система (1) топливных элементов по п.11, отличающаяся тем, что главное регулировочное устройство поддерживает связь с соответствующими устройствами (8) связи, при этом главное регулировочное устройство выполнено для слежения за рабочим состоянием модулей (2).
13. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-12, отличающаяся тем, что для всех модулей (2) предусмотрен один общий трубопровод (21) отработанного газа.
14. Модульная система (1) топливных элементов по одному из пп.1-12, отличающаяся тем, что в качестве топлива предусмотрен газообразный природный газ.
15. Применение модульной системы (1) топливных элементов по одному из пп.1-14 для снабжения по меньшей мере одной аккумуляторной батареи автомобиля электрической энергией.
16. Способ разогрева системы (1) топливных элементов, имеющей несколько модулей (2), в частности системы (1) топливных элементов по одному из пп.1-14, включающий в себя следующие этапы:
- подача воздуха по трубопроводу (4) подачи воздуха в направлении соответствующего модуля (2) системы (1) топливных элементов;
- подача топлива по трубопроводу (6) подачи топлива в направлении соответствующего модуля (2) системы (1) топливных элементов;
- индивидуальное регулирование подачи воздуха и/или подачи топлива для каждого модуля (2).
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что управление и слежение за каждым модулем (2) осуществляется индивидуально.
18. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что подача воздуха к пусковой горелке (18a) регулируется клапаном для регулирования подачи (12) воздуха и клапаном для регулирования подачи (13) топлива, при этом каждый модуль (2) включает в себя собственную пусковую горелку (18a).
