Система топливного элемента с испарительным охлаждением и способ эксплуатации такой системы

Система топливного элемента с испарительным охлаждением и способ эксплуатации такой системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента с испарительным охлаждением и к способу эксплуатации такой системы.

Уровень техники

Системы топливных элементов позволяют получать электрическую энергию при низком уровне выбросов и с высоким коэффициентом полезного действия. Поэтому в настоящее время имеются тенденции применять системы топливных элементов в различных транспортных устройствах, например в автомобильной технике, судоходстве или в авиации, для получения электрической энергии. Так, например, представляется возможным заменить в воздушном судне генераторы, которые в настоящее время используются для бортового электропитания и имеют привод от основных двигателей или вспомогательных турбин, на систему топливного элемента. Кроме того, систему топливного элемента можно использовать также для аварийного электропитания воздушного судна и заменить турбину с приводом от набегающего воздуха (Ram Air Turbine, RAT), применяемую в настоящее время для этих целей.

Топливные элементы обычно содержат катодную область и анодную область, которая отделена электролитом от катодной области. В процессе работы топливного элемента на анодную сторону топливного элемента подают топливо, например водород, а на катодную сторону топливного элемента подают кислородсодержащий окислитель, например воздух. В случае топливного элемента с мембраной из полимерного электролита (Polymer elektrolyte membrane, РЕМ) молекулы водорода реагируют с анодным катализатором, присутствующим в анодной области, например, согласно уравнению (1):

и при этом отдают на электроде электроны, образуя положительно заряженные водородные ионы.

Затем ионы Н⁺, образующиеся в анодной области, диффундируют сквозь электролит к катоду, где они реагируют в присутствии катодного катализатора, содержащегося в катодной области, с кислородом, который подведен к катоду, а также электронами, поступающими к катоду по внешней электрической цепи, согласно уравнению (2):

с образованием воды.

Наряду с электрической энергией топливный элемент в процессе функционирования вырабатывает тепловую энергию, которую необходимо отводить от него при помощи системы охлаждения для того, чтобы исключить перегрев топливного элемента. В случае применения в транспортных устройствах, где обычно лишь часть тепловой энергии, вырабатываемой топливным элементом, может быть использована внутрисистемными или внешними потребителями тепла, часто приходится отводить в окружающую среду по меньшей мере часть теплоты, которая выделяется в топливных элементах в результате реакции. Так, например, топливный элемент, применяемый в воздушном судне для бортового электропитания, должен удовлетворять высокую потребность в электрической энергии. Однако топливный элемент, мощный с точки зрения выработки электрической энергии, вырабатывает также большое количество тепловой энергии и поэтому требует эффективного охлаждения.

В принципе, топливный элемент, используемый на борту воздушного судна, можно охлаждать различными способами. В частности, возможно жидкостное охлаждение, когда жидкость применяют в качестве хладагента, чтобы отбирать теплоту реакции, вырабатываемую топливным элементом. Хладопроизводительность жидкостной охлаждающей системы приблизительно рассчитывают согласно уравнению (3)

где - теплопоглощающая способность охлаждающей жидкости, - массовый расход, c_pF - теплоемкость охлаждающей жидкости и ΔT_F - разность температур охлаждающей жидкости на выходе и на входе.

Как непосредственно следует из уравнения (3), для эффективного жидкостного охлаждения, при котором охлаждающая жидкость циркулирует в контуре, требуется охладить охлаждающую жидкость, нагретую за счет поглощения тепла от топливного элемента, на ΔT_F перед тем, как она сможет снова эффективно поглощать теплоту, выделяемую топливным элементом. Для охлаждения охлаждающей жидкости на ΔT_F эту охлаждающую жидкость можно, например, направлять в теплообменник, где она будет отдавать накопленную тепловую энергию другому хладагенту, например окружающему воздуху. В качестве альтернативы жидкостному охлаждению топливного элемента с последующим охлаждением охлаждающей жидкости окружающим воздухом возможно также прямое охлаждение топливного элемента окружающим воздухом.

Независимо от того, служит ли система охлаждения окружающим воздухом для прямого охлаждения топливного элемента окружающим воздухом или только для охлаждения охлаждающей жидкости жидкостной охлаждающей системы, хладопроизводительность системы охлаждения окружающим воздухом приблизительно рассчитывают согласно уравнению (4)

где - теплопоглощающая способность охлаждающего воздуха, - массовый расход охлаждающего воздуха, c_pL - теплоемкость охлаждающего воздуха и ΔT_L - разность между температурой охлаждающего воздуха на выходе и температурой окружающего воздуха.

Из уравнения (4) очевидно, что охлаждающая способность при охлаждении окружающим воздухом тем меньше, чем меньше разность ΔT_L между температурой охлаждающего воздуха на выходе и температурой окружающего воздуха. При охлаждении низкотемпературного топливного элемента с РЕМ, рабочая температура которого обычно составляет примерно от 60°С до 110°С, а при оптимальной мощности - примерно от 60 до 90°С, проблема заключается в том, что разность ΔT_L между температурой охлаждающего воздуха на выходе, максимально соответствующей рабочей температуре топливного элемента, и температурой окружающего воздуха является относительно низкой и соответственно хладопроизводительность системы охлаждения также является низкой. Поэтому для достаточного отвода теплоты от топливного элемента с РЕМ в окружающую среду требуются большие поверхности теплопереноса. В этой связи жидкостные и/или воздушные системы охлаждения для топливного элемента с РЕМ неизбежно имеют большой объем и относительно высокий вес, что является очень невыгодным для применения в транспортных устройствах, в частности в авиации. Кроме того, для охлаждения топливного элемента с РЕМ, используемого на борту воздушного судна, необходимо всасывать холодный воздух из окружающей воздушное судно среды и после поглощения им теплоты реакции, выделяемой топливным элементом, снова отводить этот воздух в окружающую воздушное судно среду. Однако как всасывание воздуха, так и его отвод в окружающую воздушное судно среду вызывают увеличение сопротивления воздуха, нежелательное для эффективной летной эксплуатации воздушного судна.

В отличие от вышеописанных систем охлаждения, хладопроизводительность которых в значительной степени зависит от разности между температурой хладагента и температурой окружающего воздуха, хладопроизводительность системы испарительного охлаждения согласно уравнению (5)

определяется энтальпией Δh_V испарения хладагента, применяемого в системе испарительного охлаждения, где представляет собой теплопоглощающую способность хладагента, переходящего из жидкого в газообразное агрегатное состояние, а - массовый расход хладагента, переходящего из жидкого в газообразное агрегатное состояние.

Хладагент, который циркулирует в контуре системы испарительного охлаждения, после испарения необходимо снова переводить в жидкое агрегатное состояние посредством конденсации. Однако при этом не требуется охлаждения хладагента до температуры, более низкой, чем рабочая температура топливного элемента, охлаждаемого системой испарительного охлаждения. Кроме того, преимущество системы испарительного охлаждения по сравнению с вышеописанными жидкостными и воздушными системами охлаждения заключается в том, что изменение агрегатного состояния широко применяемых хладагентов, например воды, требует гораздо больше энергии, чем может поглотить хладагент в жидком состоянии. Поэтому система испарительного охлаждения может работать с гораздо меньшим массовым расходом хладагента, чем система воздушного охлаждения со сравнимой хладопроизводительностью.

Система испарительного охлаждения, предназначенная для охлаждения топливного элемента, известна, например, из DE 19935719 А1. В системе охлаждения, описанной в DE 19935719 А1, хладагент, например воду, пропускают по трубам охлаждения, которые расположены в анодной камере подвода газа и в анодной камере отработанного газа батареи топливных элементов. При прохождении по трубам охлаждения хладагент испаряется и поглощает при этом до 90% количества теплоты, которое выделяют топливные элементы путем теплового излучения.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение системы топливного элемента с испарительным охлаждением, пригодной, в частности, для применения в воздушном судне. Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа эксплуатации указанной системы топливного элемента с испарительным охлаждением.

Эта задача решена при помощи системы топливного элемента с признаками, указанными в п.1 формулы изобретения, и способа эксплуатации системы топливного элемента с признаками, указанными в п.11 формулы изобретения.

Система топливного элемента согласно изобретению содержит топливный элемент, предпочтительно топливный элемент класса мощности МВт, при этом термин "топливный элемент" относится не только к отдельному элементу, но и к батарее, содержащей несколько топливных элементов. Топливный элемент предпочтительно представляет собой топливный элемент с РЕМ, анодная область которого сообщается с источником водорода, а в катодную область подают кислородсодержащий окислитель, предпочтительно воздух. Топливо, которое подают в анодную область топливного элемента, предпочтительно водород, может накапливаться в топливном баке, встроенном в систему топливного элемента согласно изобретению. Альтернативно или дополнительно система топливного элемента согласно изобретению может содержать установку для получения топлива, подаваемого в анодную область топливного элемента. Катодная сторона топливного элемента может быть соединена с напорной стороной компрессора. Компрессор может представлять собой компрессор с комбинированной подачей воздуха и пара.

Топливный элемент может представлять собой низкотемпературный топливный элемент с РЕМ или высокотемпературный топливный элемент с РЕМ, топливный элемент с РЕМ, содержащий композитный электролит с неорганическим материалом, полибензимидазольный топливный элемент с РЕМ или полиперфторсульфонкислотный топливный элемент с РЕМ. В процессе работы топливный элемент наряду с электрической энергией вырабатывает тепловую энергию, которую необходимо отводить от топливного элемента, чтобы исключить его перегрев.

Система топливного элемента согласно изобретению содержит также систему испарительного охлаждения, которая находится в тепловом контакте с топливным элементом, для поглощения теплоты, которую выделяет в процессе работы топливный элемент, путем испарения хладагента и отвода этой теплоты от топливного элемента. Как указано выше, система испарительного охлаждения отличается высокой теплопоглощающей способностью и, следовательно, превосходной хладопроизводительностью, благодаря высокой энтальпии испарения, которая требуется для перевода хладагента из жидкого в газообразное агрегатное состояние. Поэтому система испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению по сравнению с системой воздушного или жидкостного охлаждения с аналогичной теплопоглощающей способностью работает с гораздо меньшим массовым расходом хладагента, а также имеет компактную конструкцию и меньший вес. Кроме того, система испарительного охлаждения имеет небольшие потери энергии, не создает дополнительного сопротивления воздуха при использовании системы топливного элемента согласно изобретению на борту воздушного судна, а также способна обеспечивать надежное и независимое охлаждение топливного элемента даже при его пиковых рабочих нагрузках. И, наконец, система испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению обладает высокой динамичностью, поскольку расширение хладагента при испарении позволяет быстро отводить хладагент из той зоны системы испарительного охлаждения, которая находится в тепловом контакте с топливным элементом.

Система испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению может быть выполнена в виде системы, отдельной от топливного элемента. Однако предпочтительно система испарительного охлаждения является по меньшей мере частично встроенной в компоненты топливного элемента и содержит охлаждающие каналы, например, в биполярных, разделительных пластинах, пластинах кожуха и/или боковых ограничительных пластинах топливного элемента или батареи топливных элементов. Альтернативно или дополнительно охлаждающие каналы системы испарительного охлаждения могут проходить также в анодной камере подвода газа, в катодной камере подвода газа, в анодной камере отработанного газа и/или в катодной камере отработанного газа топливного элемента. По охлаждающим каналам системы испарительного охлаждения протекает хладагент, который вследствие поглощения теплоты, выделяющейся в процессе работы топливного элемента, переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние. В качестве хладагента можно использовать, например, воду, которая, протекая по охлаждающим каналам системы испарительного охлаждения, испаряется в результате пузырькового кипения.

Система топливного элемента согласно изобретению содержит также устройство для измерения давления в системе испарительного охлаждения, т.е. в тех частях системы испарительного охлаждения, в которых хладагент переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние. Если система испарительного охлаждения, т.е. те части системы испарительного охлаждения, в которых хладагент переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние, сообщаются со средой, окружающей систему испарительного охлаждения, устройство для измерения давления имеет такую конструкцию и расположение, чтобы измерять давление в среде, окружающей систему испарительного охлаждения и/или топливный элемент. В качестве устройства для измерения давления можно использовать, например, датчик давления. Устройство для измерения давления направляет сигналы, соответствующие давлению в системе испарительного охлаждения, на блок управления, выполненный, например, в виде электронного блока управления.

Блок управления системы топливного элемента согласно изобретению выполнен с возможностью регулирования рабочей температуры топливного элемента в зависимости от сигналов, поступающих на блок управления от устройства для измерения давления в системе испарительного охлаждения, таким образом, чтобы обеспечить переход хладагента из жидкого в газообразное агрегатное состояние под действием теплоты, которую выделяет в процессе работы топливный элемент. Иными словами, блок управления выполнен с возможностью регулирования рабочей температуры топливного элемента в зависимости от давления в системе испарительного охлаждения, т.е. в тех частях системы испарительного охлаждения, в которых испаряется хладагент, таким образом, чтобы количество теплоты, выделяющейся в процессе работы топливного элемента, было всегда достаточным для перевода хладагента из жидкого в газообразное агрегатное состояние. Тем самым постоянно обеспечивается надлежащее функционирование системы испарительного охлаждения. В системе топливного элемента согласно изобретению температура хладагента после поглощения теплоты, выделяемой топливным элементом, немного ниже рабочей температуры топливного элемента, таким образом реализуется высокий теплоперенос и, следовательно, особенно хорошая хладопроизводительность системы испарительного охлаждения. Кроме того, по существу, изотермическое изменение агрегатного состояния хладагента обеспечивает стабильную работу системы испарительного охлаждения.

Температура испарения обычных хладагентов, например воды, уменьшается при снижении давления. В частности, температура испарения воды при давлении, соответствующем атмосферному давлению на уровне моря (1,0132 бар) составляет 100°С. При давлении 0,1992 бар, которое имеет место на высоте 12192 м (40000 футов), т.е. на высоте крейсерского полета воздушного судна гражданской авиации, температура испарения воды составляет всего 60°С. Если в системе испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению в качестве хладагента используют воду, то при давлении в системе испарительного охлаждения, соответствующем атмосферному давлению на уровне моря, рабочая температура топливного элемента должна быть настолько высокой, чтобы обеспечить количество теплоты, выделяющейся в процессе работы топливного элемента, достаточное для нагревания хладагента в системе испарительного охлаждения до температуры более 100°С, и тем самым обеспечить надлежащее функционирование системы испарительного охлаждения. И, напротив, когда давление в системе испарительного охлаждения составляет всего 0,1992 бар, топливный элемент может иметь более низкую рабочую температуру, т.к. теплоты, выделяемой в процессе работы топливного элемента, должно быть достаточно, чтобы нагревать хладагент только до 60°С.

Низкотемпературный топливный элемент с РЕМ достигает оптимальной мощности при рабочей температуре примерно от 60 до 90°С. Если система топливного элемента согласно изобретению при помощи устройства для измерения давления установит, что давление в системе испарительного охлаждения является достаточно низким, например, вследствие того, что давление окружающей среды ниже, чем атмосферное давление на уровне моря, блок управления может снизить рабочую температуру топливного элемента настолько, чтобы обеспечить оптимальную мощность топливного элемента, при которой теплота, выделяемая в процессе работы топливного элемента, является еще достаточной для того, чтобы перевести хладагент системы испарительного охлаждения из жидкого в газообразное агрегатное состояние и тем самым обеспечить надлежащее функционирование системы испарительного охлаждения.

Во время полета воздушное судно находится, в основном, в среде, давление которой ниже, чем атмосферное давление на уровне моря. Этот факт можно использовать особенно выгодным образом для системы топливного элемента согласно изобретению, установленной на борту воздушного судна, чтобы в течение большей части периода работы топливного элемента поддерживать рабочую температуру ниже 100°С, и по возможности в диапазоне оптимальных рабочих температур примерно от 60 до 90°С. Для этого требуется только расположить систему испарительного охлаждения, а точнее те части системы испарительного охлаждения, в которых испаряется хладагент, в области воздушного судна, где отсутствует внутреннее избыточное давление, и обеспечить их сообщение с окружающей атмосферой таким образом, чтобы создать в этих частях системы испарительного охлаждения пониженное давление, соответствующее давлению среды, окружающей воздушное судно.

Блок управления может, например, поддерживать рабочую температуру топливного элемента системы топливного элемента согласно изобретению, используемой на борту воздушного судна, на постоянном уровне, по возможности лежащем в области оптимальных рабочих температур топливного элемента, до тех пор, пока воздушное судно находится на постоянной высоте крейсерского полета. При наборе высоты воздушным судном блок управления может снижать рабочую температуру топливного элемента в зависимости от уменьшающегося внешнего давления, а при снижении воздушного судна увеличивать рабочую температуру топливного элемента в зависимости от повышающегося внешнего давления.

Если в системе испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению в качестве хладагента используют воду, блок управления может поддерживать рабочую температуру топливного элемента равной, например, приблизительно 60°С, когда воздушное судно находится на постоянной высоте крейсерского полета, равной примерно 12192 м (40000 футов). При наборе высоты воздушным судном от места старта, расположенного примерно на уровне моря, до достижения высоты крейсерского полета блок управления может, например, непрерывно снижать рабочую температуру топливного элемента примерно со 100°С до примерно 60°С в зависимости от понижающегося внешнего давления во время набора высоты. При снижении воздушного судна с высоты крейсерского полета до места посадки, расположенного примерно на уровне моря, блок управления, напротив, может непрерывно повышать рабочую температуру топливного элемента примерно с 60°С до примерно 100°С в зависимости от повышающегося внешнего давления.

В предпочтительном варианте осуществления системы топливного элемента согласно изобретению блок управления выполнен с возможностью регулирования рабочей температуры топливного элемента в зависимости от сигналов, которые поступают на блок управления от устройства для измерения давления в системе испарительного охлаждения, таким образом, чтобы испарение хладагента системы испарительного охлаждения под действием теплоты, выделяющейся в процессе работы топливного элемента, происходило в области влажного пара хладагента. Под влажным паром здесь понимается система, в которой кипящая жидкость и насыщенный пар находятся в равновесии.

Если испарение хладагента, используемого в системе испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению, происходит в области влажного пара хладагента, то во время испарения хладагента кипящий хладагент в жидком агрегатном состоянии находится в равновесии с насыщенным паром хладагента. Это происходит в том случае, когда хладагент при испарении нагревают до его температуры испарения, зависимой от давления. Блок управления обеспечивает регулирование рабочей температуры топливного элемента предпочтительно таким образом, чтобы хладагент нагревался до температуры, соответствующей его температуре испарения, зависимой от давления. Так, например, топливный элемент может работать при температуре, которая на 0-5°С, предпочтительно на 1-3°С, выше, чем зависимая от давления температура испарения хладагента системы испарительного охлаждения.

Система топливного элемента согласно изобретению предпочтительно содержит также систему создания рабочего давления топливного элемента, которая предназначена для того, чтобы создавать требуемое давление в топливном элементе, а точнее в компонентах топливного элемента, в которые не встроены охлаждающие каналы системы испарительного охлаждения. Система создания рабочего давления в топливном элементе системы топливного элемента согласно изобретению может быть, например, встроена в систему подачи соответствующей среды системы топливного элемента и содержать компрессор для подачи окислителя в катодную область топливного элемента и/или соответствующее транспортировочное устройство для подачи топлива в анодную область топливного элемента. Система создания рабочего давления в топливном элементе служит для того, чтобы установить или поддерживать на требуемом уровне рабочее давление топливного элемента независимо от внешнего давления в окружающей среде топливного элемента и от давления в системе испарительного охлаждения.

Система создания рабочего давления в топливном элементе может быть выполнена с возможностью создания в топливном элементе давления, которое выше или ниже чем внешнее давление в окружающей среде топливного элемента и/или давление в системе испарительного охлаждения. Кроме того, система топливного элемента согласно изобретению может содержать блок управления, выполненный, например, в виде электронного блока управления, для управления системой создания рабочего давления топливного элемента. Блок управления, предназначенный для управления системой создания рабочего давления топливного элемента, может представлять собой отдельный блок управления. В качестве альтернативы, блок управления для управления системой создания рабочего давления топливного элемента может быть также встроен в блок управления рабочей температурой топливного элемента.

Как указано выше, в системе топливного элемента согласно изобретению рабочую температуру топливного элемента постоянно регулируют в зависимости от давления в системе испарительного охлаждения таким образом, чтобы обеспечить переход хладагента, применяемого в системе испарительного охлаждения, из жидкого в газообразное агрегатное состояние за счет теплоты, выделяющейся в процессе работы топливного элемента. Однако при соответствующих высоких рабочих температурах может возникать проблема, которая заключается в том, что испарению подвергаются вещества или смеси веществ, например, такие как вода, которые обычно содержатся в жидком состоянии в топливном элементе, т.е. в анодной области, в катодной области, в области мембраны, отделяющей анодную область от катодной области, в анодных или катодных газопроводах.

Для того чтобы предотвратить нежелательное испарение веществ или смесей веществ, которые обычно содержатся в топливном элементе в жидком состоянии, в процессе работы топливного элемента, блок управления для управления системой создания рабочего давления в топливном элементе предпочтительно управляет системой создания рабочего давления в топливном элементе таким образом, чтобы обеспечить в топливном элементе давление, при котором предотвращается нежелательное испарение веществ или смесей веществ, обычно содержащихся в топливном элементе в жидком состоянии.

Блок управления для управления системой создания рабочего давления в топливном элементе может быть выполнен с возможностью регулирования рабочего давления в топливном элементе в зависимости от рабочей температуры указанного топливного элемента. Рабочая температура топливного элемента, используемая блоком управления системой создания рабочего давления в топливном элементе в качестве регулирующего параметра, может представлять собой значение рабочей температуры, заданное блоком управления рабочей температурой топливного элемента, или значение рабочей температуры топливного элемента, измеренное, например, при помощи температурного датчика. Альтернативно или дополнительно блок управления системой создания рабочего давления в топливном элементе может быть также выполнен с возможностью регулирования давления топливного элемента в зависимости от сигналов, которые поступают на него от устройства для измерения давления в системе испарительного охлаждения. Так, например, блок управления системой создания рабочего давления в топливном элементе на основании характеристических сигналов давления в системе испарительного охлаждения, поступающих от устройства для измерения давления, может рассчитывать заданную рабочую температуру топливного элемента и использовать ее в качестве регулирующего параметра для определения соответствующего заданного значения рабочего давления в топливном элементе.

Если в системе испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению используют воду в качестве экологически безвредного хладагента, топливный элемент, представляющий собой, например, топливный элемент с РЕМ, работает, в случае, если давление в системе испарительного охлаждения соответствует атмосферному давлению на уровне моря, предпочтительно при рабочей температуре примерно от 100 до 105°С. Блок управления системой создания рабочего давления в топливном элементе предпочтительно управляет системой создания рабочего давления в топливном элементе таким образом, чтобы обеспечить в топливном элементе рабочее давление, превышающее атмосферное давление на уровне моря, и равное, например, 2 бар. При давлении 2 бар температура испарения воды составляет 120,23°С, и таким образом, испарение воды, содержащейся в топливном элементе, т.е., например, в анодной области, в катодной области, в области мембраны, отделяющей анодную область от катодной области, в анодных или катодных газопроводах, при рабочей температуре топливного элемента надежно предотвращается.

Как указано выше, процесс испарения, протекающий в системе испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению, позволяет отводить большое количество теплоты от топливного элемента. Затем теплоту, отводимую системой испарительного охлаждения от топливного элемента, необходимо либо отдать в окружающую среду, либо передать для дальнейшего использования. Процесс теплопередачи можно описать уравнением (6)

где - переносимая тепловая мощность, k - коэффициент теплопередачи, А - поверхность теплопередачи и Δt_mlog - перепад температур. Коэффициент теплопередачи k рассчитывают по уравнению (7)

где s - толщина стенки, λ - коэффициент теплопроводности, а α - коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи α считается параметром, который оказывает основное влияние на величину тепловой мощности , переносимую в ходе процесса теплопередачи. Большой коэффициент теплоотдачи α обеспечивается процессом конденсации. Поэтому система испарительного охлаждения системы топливного элемента согласно изобретению предпочтительно содержит конденсатор для конденсации хладагента, испаряемого в процессе работы топливного элемента с целью охлаждения указанного топливного элемента. При таком варианте осуществления системы испарительного охлаждения поглощение теплоты реакции топливного элемента происходит в ходе процесса испарения, а отдача теплоты реакции топливного элемента - в ходе процесса конденсации. Поскольку процесс конденсации, как и процесс испарения, требует гораздо больше энергии, чем может поглотить, например, хладагент в жидком состоянии, система испарительного охлаждения, оснащенная конденсатором, работает особенно эффективно.

Еще одно достоинство системы испарительного охлаждения, оснащенной конденсатором, заключается в том, что ее можно использовать в качестве циркуляционной системы, в которой хладагент, сконденсированный в конденсаторе, в жидком агрегатном состоянии возвращается к топливному элементу и может снова испаряться там для его охлаждения. Однако предпочтительно в системе испарительного охлаждения, оснащенной конденсатором, функция охлаждения топливного элемента отделена от функции регенерации хладагента, таким образом, чтобы даже в случае отказа конденсатора обеспечивать достаточное охлаждение топливного элемента. Для того чтобы обеспечить достаточную подачу хладагента в систему испарительного охлаждения, система топливного элемента согласно изобретению может содержать устройство подачи воды, образующейся в процессе работы топливного элемента, в систему испарительного охлаждения.

Теплоту, отводимую от топливного элемента при помощи системы испарительного охлаждения, можно отдавать в окружающую среду. Это является особенно рациональным в тех случаях, когда теплота выделяется при сравнительно низкой температуре, например 60°С.

Конденсатор, который позволяет осуществлять эффективный отвод в окружающую среду теплоты, выделяемой топливным элементом системы топливного элемента согласно изобретению, может быть выполнен в виде, например, наружной охлаждающей рубашки. Наружная охлаждающая рубашка может быть образована, например, стенкой, внутренняя часть которой, обращенная к системе топливного элемента, контактирует с парообразным хладагентом и функционирует как конденсатор пара. В то же время, обращенная к окружающей среде внешняя сторона стенки, образующей наружную охлаждающую рубашку, функционирует в качестве нагревателя наружного воздуха. Конденсатор, выполненный в виде наружной охлаждающей рубашки особенно пригоден для использования в системе топливного элемента согласно изобретению, применяемой на борту воздушного судна. В этом случае наружная охлаждающая рубашка может быть образована, например, участком внешней обшивки воздушного судна, который с внутренней стороны контактирует с хладагентом, испаряемым во время работы топливного элемента с целью охлаждения топливного элемента.

Если использовать в качестве наружной охлаждающей рубашки участок внешней обшивки воздушного судна, то можно простым способом и без дополнительных компонентов получить большие поверхности теплопередачи. В результате получается значительный выигрыш в весе. Кроме того, наружная охлаждающая рубашка, образованная, например, участком внешней обшивки воздушного судна, отличается высокой хладопроизводительностью и за счет отсутствия трубопроводов позволяет получить дополнительный выигрыш в весе. При этом отвод тепла при помощи наружной охлаждающей рубашки осуществляется бесшумно и не требует перемещений больших воздушных масс, которые могли бы привести к возникновению нежелательного дополнительного сопротивления воздуха в случае использования системы топливного элемента согласно изобретению в воздушном судне.

Альтернативно или дополнительно к той теплоте реакции, выделяемой в процессе работы топливного элемента системы топливного элемента согласно изобретению, которая отводится в окружающую среду, теплоту реакции, выделяемую топливным элементом, можно регенерировать и использовать. Для этой цели система топливного элемента согласно изобретению может содержать по меньшей мере одно устройство для использования теплоты, накопленной в хладагенте. Использование теплоты, накопленной в хладагенте, может быть прямым или косвенным. Так, например, хладагент в газообразном агрегатном состоянии можно непосредственно подавать в устройство для использования теплоты, накопленной в хладагенте. Однако в этом случае отобранный хладагент должен быть возвращен в систему испарительного охлаждения, чтобы обеспечить надлежащее охлаждение топливного элемента.

Альтернативно или дополнительно можно передавать только теплоту, накопленную в хладагенте, в устройство для использования этой теплоты. Для этой цели хладагент в газообразном агрегатном состоянии можно, например, пропускать через теплообменник, который находится в тепловом контакте с устройством для использования теплоты, накопленной в хладагенте. Кроме того, конденсатор, предусмотренный в системе испарительного охлаждения, может быть выполнен и/или расположен таким образом, чтобы теплота, высвобождающаяся при конденсации хладагента в конденсаторе, передавалась в устройство для использования теплоты, накопленной в хладагенте.

Устройство для использования теплоты, накопленной в хладагенте, может предпочтительно представлять собой нагревательное устройство, выполненное в виде нагревателя парового отопления, который использует теплоту, накопленную в хладагенте, в целях обогрева. Альтернативно этому устройство для использования теплоты, накопленной в хладагенте, может представлять собой установку опреснения воды, предназначенную для получения питьевой воды из морской воды. В случае использования системы топливного элемента согласно изобретению в воздушном су