РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ОТКРЫТЫМ КАТОДОМ

Область техники
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к регенеративным топливным элементам (РТЭ), которые сочетают в себе функции как топливных элементов (ТЭ), так и электролизеров (ЭЛ).
Уровень техники
Известны заявки на изобретения, в которых предлагаются конструкции ТЭ с подачей на катод воздуха JP 2008516407 и WO 2008038032
В заявке JP 2008516407 при работе ТЭ катод находился в контакте с неподвижной воздушной атмосферой.
В заявке WO 2008038032 предложены способ и устройство батареи топливных элементов с открытым катодом. Блок топливных элементов имеет катодный воздухозаборник и катодный выхлоп.
Недостатком данных устройств является использование их только в конструкции ТЭ.
Известно устройство, описанное в патенте US 6833207, с регенеративным топливным элементом, которое объединяет блок топливного элемента и блок электролизера в одной батарее с общей системой подачи и вывода реагентов
Недостатком данного устройства является использование его в системе РТЭ, в которой электролизер и ТЭ представляют собой отдельные электрохимические устройства, объединенные только системой ввода - вывода реагентов. Кроме того, система ввода и вывода реагентов сложная, и предполагает, что все реагенты проходят через каналы ТЭ и ЭЛ одновременно.
Известно изобретение, в котором предлагается установка «Блок регенеративных топливных элементов/электролизеров», состоящая из чередующихся блоков «электролизер-ТЭ» Заявка US 20070116996. Между электродным узлом ТЭ и электродным узлом электролизера расположена проводящая пластина. Когда система работает в режиме ТЭ, происходит подача водородсодержащего газа из блока хранения водорода и кислородсодержащего газа из блока хранения кислорода. Кислородсодержащим веществом может быть газообразный кислород, газ, обогащенный кислородом, воздух и т.д.
Недостатком данного изобретения является использование отдельных блоков электролизера и ТЭ и связанная с этим необходимость сложных электрических переключений и систем ввода-вывода реагентов.
Известно устройство, описанное в патенте US 7014953, опубликованном 2006-03-21, в котором предложена конструкция регенеративного биполярного топливного элемента (РБТЭ). РБТЭ включает в себя биполярную пластину, водородные электроды, контактирующие с потоком водорода, и кислородные электроды, контактирующие с потоком кислорода или воздуха. Газоразделительные электролитные камеры находится в контакте с водородным электродом с одной стороны, и с кислородным электродом с другой. Электролитные камеры обеспечивают механическую поддержку для ТЭ и обеспечивают контакт с водородным электродом и кислородным электродом. Биполярные пластины расположены между водородным электродом и кислородным электродом. Биполярная пластина имеет водородную сторону, контактирующую с водородным электродом, и кислородную сторону, контактирующую с кислородным электродом. Биполярная пластина не требует опорных рам электродов РБТЭ и обеспечивает целостность различных частей электродов, сохраняя при этом доступность различных реагентов к ним. Биполярная пластина действует как коллектор для распределения газа и прокладка для уплотнения.
Данное устройство решает проблемы снижения эффективности регенеративных топливных элементов из-за потерь тока на контактах. Это достигается за счет расположения биполярных пластин и электродов, которое включает в себя внутренние электрические соединения для обеспечения коротких и эффективных токосъемных выводов, создавая улучшенное соединение между пластинами при изменении размеров электродов при работе РБТЭ.
Полученная в режиме электролиза воды смесь газообразного кислорода и воды, через клапан поступает в резервуар, где происходит их разделение. Кислород направляется в кислородный баллон, вода - в резервуар для хранения воды. Полученный при электролизе водород, отделяется в сепараторе от воды и поступает в резервуар для хранения водорода, вода из сепаратора - в резервуар для хранения воды.
Недостатком изобретения является закрытый катод и работа в режиме ТЭ только на кислороде, в этом случае ТЭ работает на пределе своей мощности, что приводит к сокращению срока службы РБТЭ, при этом вода, образующаяся на кислородном электроде, имеет большой избыток газообразного кислорода, который не прореагировал в реакции.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является, повышение надежности и эффективности РТЭ и упрощение систем, связанных с обеспечением его работы.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в том, что конструкция и принцип функционирования РТЭ позволяет осуществлять переход между режимами работы только за счет изменения направления тока.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем,
что регенеративный топливный элемент с открытым катодом состоит из, по меньшей мере, двух соединенных топливных ячеек, включающих в себя последовательно соединенные гофрированный кислородный/воз душный коллектор, кислородный/воздушный газодиффузионный слой, мембранно-электродный блок (МЭБ), рамку, в которой расположены водородный газодиффузионный слой и сетчатый водородный коллектор, биполярную пластину, при этом соединенные топливные ячейки топливного элемента установлены между концевыми плитами и отделяются от них токосъемными пластинами.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что
возможен переход между режимами работы только за счет изменения направления тока;
существенно упрощается система, связанная с обеспечением работы РТЭ и вводом - выводом реагентов;
циркуляция воды в режиме генерации водорода производится только по каналам водородного электрода, при этом каналы кислородного электрода открыты в атмосферу.
Краткое описание чертежей
На фигуре представлена схема батареи РТЭ, состоящая из последовательности ячеек, количество которых более или равно 2. Батарея РТЭ включает:
1 - концевая плита;
2 - токосъемная пластина;
3 - гофрированный кислородный/воз душный коллектор;
4 - кислородный/воздушный газодиффузионный слой;
5 - мембранно-злектродный блок;
6 - водородный газодиффузионный слой;
7 - сетчатый водородный коллектор;
8 – рамка;
9 - уплотнительное кольцо;
10 - биполярная пластина.
Осуществление полезной модели
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.
Единичная ячейка РТЭ последовательно содержит: гофрированный кислородный/воздушный коллектор 3, кислородный/воздушный газодиффузионный слой 4, мембранно-электродный блок (МЭБ) 5, рамку 8 в которой расположены водородный газодиффузионный слой 6 и сетчатый водородный коллектор 7, биполярную пластину 10 и уплотнительные кольца 9.
Батарея топливных элементов по фиг., состоит из последовательности единичных ячеек РТЭ, соединенных электрически и зажатых между концевыми плитами 1 металлическими шпильками, электрически изолированных от токоведущих частей.
Гофрированный кислородный/воздушный коллектор 3 выполнен из гофрированной металлической ленты, например, из титановой фольги, толщиной 0,10-0,20 мм. Форма - прямоугольная. Габариты коллектора соответствуют внешним габаритам рамки 8 фиг. Назначение: передача тока и обеспечение прохождения воздуха к воздушному газодиффузионному слою. Устанавливается между биполярной пластиной 10 и кислородным/воз душным газодиффузионным слоем 4.
Кислородный/воздушный газодиффузионный слой 4, выполнен из пористой углеграфитовой ткани или бумаги толщиной 0,30-0,50 мм. Габариты кислородного/воздушного газодиффузионного слоя соответствуют внешним габаритам рамки 8 фиг. Назначение - передача тока, а также обеспечение отвода кислорода при электролизе и подвода воздуха к МЭБ при работе в режиме ТЭ. Устанавливается между гофрированным кислородным/воздушным коллектором 3 и мембранно-электродным блоком 5.
Мембранно-электродный блок 5, состоит из: ионообменной мембраны Nafion или МФ4-СК толщиной 50-120 мкм с нанесенными по обеим сторонам кислородным и водородным электрокаталитическими слоями на основе металлов платиновой группы (платина, иридий, рутений) на углеродных или оксидных носителях. Габариты МЭБ - по внешним размерам рамки 8, размер электрокаталитических слоев соответствует размеру окна рамки 8 фиг. Назначение: для разделения газов, проведения электрохимических реакций и передачи тока. Устанавливается между кислородным/воздушным газодиффузионным слоем 4 и рамкой 8.
Водородный газодиффузионный слой 6, его материал: углеграфитовая ткань или бумага толщиной 0,30-0,50 мм. Габариты водородного коллектора - по размеру окна рамки 8 фиг. Назначение: обеспечение отвода/подвода водорода и передача тока. Устанавливается в окно рамки 8 между мембранно-электродным блоком 5 и сетчатым водородным коллектором 7. Водородный газодиффузионный слой 6 совместно с сетчатым водородным коллектором 7, вложен в окно рамки 8.
Рамка 8, ее материал - фторкаучуковая резиновая смесь. Назначение: фиксирование водородного газодиффузионного слоя 6, сетчатого водородного коллектора 7, обеспечение герметизации водородной камеры РТЭ. Устанавливается между мембранно-электродным блоком 5 и биполярной пластиной 10.
Сетчатый водородный коллектор 7, его материал - титановая просечно-вытяжная сетка в три или более слоев. Габариты - по размерам окна рамки 8 фиг. Назначение: передача тока, а также отвод/подвод водорода к водородному газодиффузионному слою 6. Устанавливается в рамку 8 между водородным газодиффузионным слоем 6 и биполярной пластиной 10.
Биполярная пластина 10, материал - титановая пластина толщиной 0,30-0,50 мм. Габариты соответствуют внешним габаритам рамки 8. Назначение: для разделения смежных ячеек РТЭ и передачи тока. Устанавливается между рамкой 8 и гофрированным кислородным/воздушным коллектором 3 смежного РТЭ.
Уплотнительное кольцо 9, материал - фторкаучуковая резина. Назначение - обеспечение герметичности водородного канала, соединяющего смежные ячейки РТЭ. Устанавливается в отверстия в гофрированном кислородном/воз душном коллекторе 3 и кислородном/воздушном газодиффузионном слое 4 для подачи водорода.
Батарея РТЭ содержит два или более РТЭ, токосъемные пластины 2 и концевые плиты 1, стянутые крепежными деталями, например, шпильками.
Токосъемные пластины 2, материал - титан, толщина 1,0-3,0 мм, толщина зависит от силы подводимого или снимаемого с батареи РТЭ тока. Габариты соответствуют внешним габаритам рамки 8. Назначение: для обеспечения подвода/отвода тока к батарее РТЭ. Устанавливается между концевой плитой 1 и либо гофрированным кислородным/воздушным коллектором 3, либо рамкой 8.
Концевые плиты 1, материал - металл или жесткий пластик. Назначение: для скрепления ячеек РТЭ в батарею с помощью крепежных деталей, например, шпилек с резьбой.
Сетчатый водородный коллектор 7 образует объемный проточный канал, по которому осуществляется подача и вывод водорода по площади ячейки РТЭ.
Проточные каналы для отвода кислорода и подвода воздуха образованы гофрированным кислородным/воздушным коллектором 3. В режиме генерации электроэнергии в каналы подается воздух либо диффузионно, либо с помощью вентиляторов. В режиме генерации водорода кислород свободно выходит в атмосферу. При использовании вентиляторов воздух отводит образующееся при работе РТЭ тепло во всех режимах.
Внутренние коммуникации для подачи воды и вывода водорода в режиме генерации водорода и подачи водорода в режиме генерации электроэнергии, представляют собой каналы, образующиеся при соединении отдельных деталей РТЭ (гофрированного кислородного/воздушного коллектора 3, кислородного/воз душного газодиффузионного слоя 4, мембранно-электродного блока 5, рамки 8, биполярной пластины 10) за счет выполнения в этих деталях ряда соосных отверстий.
Смежные РТЭ в батарее разделены биполярной пластиной 10, выполненной в виде титановой пластины толщиной 0,5 мм. Биполярная пластина 10 имеет электрический контакт с коллекторами 3 и 7 и выполняет также функцию передачи тока. Ячейки РТЭ с помощью концевых плит и шпилек собираются в батарею РТЭ.
Целесообразно, чтобы в режиме генерации водорода в проточных каналах водородного электрода РТЭ поддерживалось давление до 1,0 МПа.
Устройство работает следующим образом:
Принцип работы РТЭ основан на осуществлении реакции разложения воды на водород и кислород в режиме генерации водорода под действием постоянного электрического тока и проведении обратной реакции рекомбинации водорода и кислорода воздуха с образованием воды, в режиме генерации электроэнергии.
В качестве электролита используется ионообменная мембрана, осуществляющая транспорт ионов водорода и играющая роль газоразделительной диафрагмы.
РТЭ функционирует следующим образом. В режиме генерации электроэнергии водород подается к водородным электрокаталитическим слоям МЭБ ячеек РТЭ по проточным каналам, которые образованы сетчатым водородным коллектором 7, а воздух подается либо диффузионно, либо с помощью вентиляторов через открытые проточные каналы гофрированного кислородного/воздушного коллектора 3 к кислородным электрокаталитическим слоям МЭБ ячеек РТЭ. В режиме генерации водорода вода подается в проточные каналы, образованные сетчатым водородным коллектором 7, либо циркуляционным насосом, либо за счет процесса газ-лифт, за счет диффузии проходит через мембрану из твердополимерного электролита, попадает на кислородный электрокаталитический слой МЭБ 5, где под действием электрического потенциала происходит электрокаталитический процесс разложения воды с образованием кислорода на аноде и водорода на катоде. Кислород через каналы гофрированного кислородного/воздушного коллектора 3 поступает в атмосферу, где смешивается с воздухом, а водород в смеси с неразложившейся водой выводится из РТЭ. Во всех режимах воздух продувается через каналы гофрированного кислородного/воздушного коллектора 3 при помощи нагнетателя, и отводит образующееся при работе РТЭ тепло.
Приведенные выше описание схемы и принципа работы БРТЭ подтверждают промышленную применимость заявленной полезной модели.