МОНОБЛОК БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОНДЕНСАТОРОМ - УВЛАЖНИТЕЛЕМ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области водородо-воздушных электрохимических топливных элементов с протонообменной мембраной, использующих в качестве топлива водород и в качестве окислителя - чистый кислород либо кислород, содержащийся в атмосферном воздухе, и может быть использована в батареях топливных элементов электрохимических генераторов (ЭХГ) транспортного и стационарного назначения.
Простейший топливный элемент с протонообменной мембраной состоит из 2-х электродов, разделенных электролитом (протонообменной мембраной), систем подвода топлива (водорода) на один электрод (анод) и окислителя на другой электрод (катод), а также системы для удаления продуктов реакции. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором - платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны, протоны проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном, который подводится из внешних коммуникаций, и пришедшим протоном образуя воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
При ведении электрохимической реакции мембрана должна находиться в условиях постоянного увлажнения. С этой целью поступающий в батарею окислитель/воздух подогревают до 60-80°C и увлажняют до относительной влажности 80-100%. Отсутствие или недостаточность увлажнения приводит к ухудшению характеристик топливных элементов, высыханию и разрушению мембраны. Увлажнение окислителя/воздуха, как правило, производится во внешних устройствах с подводом тепла и воды от посторонних источников. В то же время электрохимический процесс в топливных элементах сопровождается выделением тепла и образованием водяного пара, выносимых из топливных элементов потоком окислителя/воздуха, которые могут быть утилизированы и использованы для подогрева и увлажнения свежего окислителя/воздуха.
В известном изобретении «Протонообменная мембрана топливных элементов» (патент США на изобретение № US 5879826, опубл. 09.03.1999 г.), принятым за прототип, проблема увлажнения свежего окислителя/воздуха, подаваемого в топливные элементы, решена за счет передачи тепла и воды от системы терморегулирования топливных элементов в мембранном блоке, осуществляющим подогрев окислителя/воздуха и его увлажнение через мембрану водой системы терморегулирования.
Указанное техническое решение имеет ряд существенных недостатков, делающих его мало пригодным для реализации в эксплуатации, к основными из которых относятся:
- потеря воды из контура системы терморегулирования топливных элементов в связи с ее уносом с продуктами реакции и необходимость постоянного пополнения контура;
- потери влаги и тепловой энергии, выделяемых в топливных элементах в процессе электрохимической реакции, из-за уноса с потоком отработавшего окислителя/воздуха, отсутствия их утилизации, и снижение, в связи с этим, термодинамической эффективности процесса;
- загрязнение воды контура терморегулирования, используемой для увлажнения свежего окислителя/воздуха, продуктами коррозии оборудования и элементов системы, крайне неблагоприятно влияющих на характеристики топливных элементов, усиливая их деградацию и снижая ресурс и долговечность топливных элементов.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции за счет исключения системы терморегулирования из процесса увлажнения окислителя/воздуха, отказа от необходимости в дополнительной воде для увлажнения окислителя/воздуха, рекуперации влаги и тепловой энергии, выделяемых в топливных элементах, исключения влияния продуктов коррозии контура терморегулирования на деградацию, повышением ресурса и долговечности топливных элементов, повышение термодинамической эффективности процесса.
Для этого предложен Моноблок батареи топливных элементов с конденсатором-увлажнителем воздуха, состоящий из топливных элементов с протонообменной мембраной и конденсатора-увлажнителя окислителя/воздуха, по полезной модели конденсатор-увлажнитель является составной частью батареи топливных элементов и образует с ней единый моноблок, при этом конденсатор-увлажнитель оксилителя/воздуха содержит протонообменную мембрану, которая вклеена между двумя рамками, с обеих сторон протонообменной мембраны в рамки вставлены дистанцирующие сетки, образуя полости, одна из которых предназначена для потока увлажняемого (сухого) окислителя/воздуха, а другая для влажного (осушаемого) окислителя/воздуха, при этом полость увлажняемого окислителя/воздуха содержит одну полимерную сетку с ячейкой не более 3×3 мм, а полость влажного окислителя/воздуха содержит, по меньшей мере, одну полимерную сетку с упомянутой ячейкой, размещенную между двух металлических сеток с ячейками не более 0,5×0,5 мм, последние исключают продавливание мембраны в полость влажного окислителя/воздуха избыточным давлением со стороны полости увлажняемого окислителя/воздуха, при этом увлажнение и нагрев окислителя/воздуха, подаваемого в топливных элементах, происходит за счет тепломассообмена между потоками окислителя/воздуха через мембрану, в качестве мембраны используется пористый материал, проницаемый только для воды и водяного пара.
Техническим результатом полезной модели является улучшение использования тепловой энергии и материальных ресурсов в топливных элементах.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых устройство состоит из не менее одной батареи топливных элементов, агрегатированной с конденсатором-увлажнителем окислителя/воздуха.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 приведены конструктивные схемы моноблока батареи топливных элементов с конденсатором-увлажнителем окислителя/воздуха, где обозначены:
1 - Батарея топливных элементов;
2 - Конденсатор - увлажнитель окислителя/воздуха;
3 - Вход сухого окислителя/воздуха;
4 - Выход осушенного окислителя/воздуха;
5 - Выход увлажненного окислителя/воздуха;
6 - Подвод увлажненного окислителя/воздуха
7 - Фланец отвода воды и водяного пара;
8 - Протонообменная мембрана конденсатора-увлажнителя окислителя/воздуха;
9 - Подвод водорода;
10 - Отвод отработанного водорода;
11 - Рамка;
12 - Полимерная сетка;
13 - Металлическая сетка;
14 - Полость увлажняемого (сухого) окислителя/воздуха;
15 - Полость влажного (осушаемого) окислителя/воздуха.
На фиг. 1 и фиг. 2 показана общая компоновка моноблока батареи топливных элементов с конденсатором-увлажнителем воздуха с указанием назначения патрубков для подвода и отвода текучих сред. Подвод водорода по в батарею топливных элементов 1 осуществляется по патрубку подвода водорода 9, где в батарее 1 при соединении с кислородом окислителя/воздуха в результате электрохимической реакции образуется электрический ток и нагретая вода/пар, которая через фланец отвода воды и водяного пара 7 с отработанным в батарее 1 окислителем/воздухом поступает в полость конденсатора-увлажнителя 2 с отработанным влажным окислителем/воздухом. Отвод отработанного водорода от батареи топливных элементов осуществляется по патрубку отвода отработанного водорода 10. На фиг. 4 и фиг. 6 показана схема движения потока влажного окислителя/воздуха в полости влажного (осушаемого) воздуха 15. В другую полость конденсатора-увлажнителя 2 подается по патрубку вход сухого окислителя/воздуха 3 свежий сухой окислитель/воздух, где он нагревается и увлажняется, а затем по патрубкам выхода увлажненного окислителя/воздуха 5 и подвода увлажненного окислите ля/воздуха 6 поступает в батарею топливных элементов 1. Осушенный окислитель/воздух (отдавший влагу и тепло) выводится из конденсатора-увлажнителя 2 через патрубок выхода осушенного окислителя/воздуха 4. На фиг. 3 и фиг. 5 показана схема движения потока увлажняемого окислителя/воздуха в полости увлажняемого (сухого) окислителя/воздуха 14.
В конденсаторе-увлажнителе окислителя/воздуха 2 для разделения потоков использована протонообменная мембрана конденсатора-увлажнителя окислителя/воздуха 8, которая вклеивается между двумя рамками 11. С обеих сторон мембраны 8 в рамки 11 вставлены дистанцирующие полимерные сетки 12. Рамки 11 с вклеенной протонообменной мембраной 8 и со вставленными дистанцирующими полимерными сетками 12 образуют в конденсаторе-увлажнителе окислителя/воздуха полости, одна из которых предназначена для потока увлажняемого окислителя/воздуха - полость увлажняемого (сухого) окислителя/воздуха 14, а другая для увлажняющего - полость влажного (осушаемого) окислителя/воздуха 15, необходимая производительность конденсатора-увлажнителя окислителя/воздуха 2 обеспечивается набором определенного количества полостей 14, 15, при этом полость увлажняемого (сухого) окислителя/воздуха 14 содержит дистацирующую полимерную сетку 12 с ячейкой не более 3×3 мм, а полость влажного (осушаемого) окислителя/воздуха 15 содержит две дистанцирующие полимерные сетки 12, размещенные между двух металлических сеток 13 с ячейками не более 0,5×0,5 мм, последние исключают продавливание протонообменной мембраны конденсатора-увлажнителя окислителя/воздуха 8 в полость влажного (осушаемого) окислителя/воздуха 15 со стороны полости увлажняемого (сухого) окислителя/воздуха 14.
Для осуществления тепломассообмена в качестве мембраны используется пористый материал, проницаемый только для воды и водяного пара.
Конденсатор-увлажнитель совместно с не менее одной батареей топливных элементов образует моноблок.
При агрегатировании конденсатора-увлажнителя воздуха более, чем с одной батареей, батареи располагаются вертикальной стопкой над конденсатором-увлажнителем окислителя/воздуха.