РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ В ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
WATER DISTRIBUTION CONTROL IN FUEL CELLS

Настоящее изобретение относится к электрохимическим топливным элементам, в частности к топливным элементам из твердого полимерного электролита, которые превращают топливо и окислитель в электрическую энергию и продукт реакции.
На фиг.1 представлена типичная компоновка топливного элемента 10, причем для ясности данный чертеж демонстрирует различные слои конструкции топливного элемента в разобщенном виде. Между анодом 12 и катодом 13 расположена ионообменная мембрана 11 из твердого полимера. Как правило, анод 12 и катод 13, оба, изготовлены из электропроводного пористого материала, например пористого углерода, к которому прикреплены небольшие частицы платины и/или другого катализатора из благородного металла. Анод 12 и катод 13 обычно присоединены непосредственно к соответствующим примыкающим поверхностям мембраны 11. Такое соединение компонент топливного элемента обычно называют мембраноэлектродной сборкой или, сокращенно, МЭС.
Полимерная мембрана и слои пористых электродов размещены между анодной пластиной 14 для распределения потока текучей среды и катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды. Кроме того, между анодной пластиной 14 для распределения текучей среды и анодом 12 и аналогичным образом между катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды и катодом 13 могут быть размещены промежуточные защитные слои 12а и 13а. Защитные слои имеют пористую структуру и изготовлены так, что они обеспечивают эффективную диффузию газа к поверхностям анода и катода и от этих поверхностей, а также способствуют управлению распределением паров воды и жидкой фазы воды.
Пластины 14 и 15 для распределения потока текучей среды выполнены из электропроводного непористого материала, за счет чего может быть осуществлен электрический контакт с соответствующими электродами, анодом 12 или катодом 13. В то же самое время пластины для распределения потока текучей среды должны способствовать подводу к пористым электродам и/или отводу от них топлива, окислителя и/или продукта реакции. Обычно это осуществляют путем формирования проходов для потока текучей среды на поверхности пластин для распределения потока текучей среды, например в виде пазов или канавок 16 на поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13.
Кроме того, на фиг.2(а) показана одна известная конфигурация канавки для потока текучей среды, которая образует извилистую (змеевидную) структуру 20 на поверхности анода 14 (или катода 15), имеющую входной коллектор 21 и выходной коллектор 22, как это показано на фиг.2(а). В соответствии с известной конструкцией змеевидная структура 20 представляет собой канавку 16 на поверхности пластины 14 (или 15), в то же время каждый из коллекторов 21 и 22 включает проходящее сквозь пластину отверстие так, чтобы текучая среда, подводимая к канавке 16 или отводимая из нее, могла проходить через толщину пакета пластин в направлении, перпендикулярном пластине, указанном стрелкой на фиг.2(b), на которой изображен поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.2(а).
Могут быть выполнены также другие отверстия 23, 25 коллекторов, обеспечивающие подвод топлива, окислителя, других текучих сред или отработанных газов в другие канавки, имеющиеся в пластинах (не показано).
Канавки 16 в пластинах 14, 15 для распределения потока текучей среды могут быть выполнены открытыми на обоих концах, т.е. эти канавки, проходящие, как показано, между входным коллектором 21 и выходным коллектором 22, обеспечивающие непрерывное прохождение потока текучей среды, обычно используют для подачи окислителя и отвода продукта реакции. В качестве альтернативы канавки 16 могут быть закрыты на одном конце, т.е. каждая канавка имеет сообщение только с входным коллектором 21 для подачи текучей среды в расчете на полную 100%-ную передачу газообразного вещества в пористые электроды МЭС или из них. Закрытая таким образом канавка может быть использована для подачи водородного топлива к элементам 11-13 МЭС конструкции гребенчатого типа.
На фиг.3 показан поперечный разрез части пакета пластин, образующих обычную сборную конструкцию 30 топливного элемента. В этой конструкции соседние анодная и катодная пластины для распределения потока текучей среды объединены известным образом с образованием единой биполярной пластины 31, имеющей анодные канавки 32 на одной поверхности и катодные канавки 33 на противоположной поверхности, причем каждая из этих поверхностей примыкает к соответствующей мембраноэлектродной сборке (МЭС) 34. Все отверстия 21 входного коллектора и отверстия 22 выходного коллектора совмещены для образования входного и выходного коллекторов для всей батареи топливных элементов. Различные компоненты батареи топливных элементов на чертеже показаны слегка отделенными друг от друга, хотя понятно, что при необходимости они будут прижаты друг к другу с помощью уплотнительных прокладок.
Для достижения высокой эффективности и длительности энергоснабжения от топливного элемента, главным образом, необходимо поддерживать высокое влагосодержание внутри мембраноэлектродной сборки и, в частности, внутри мембраны.
В уровне техники это обычно достигается посредством увлажнения подводимых газов, а именно топлива, воздуха или обоих, поступающих через коллекторы 21, 22 или 23 и по канавкам 16. Иначе говоря, в канавки 16 подают воду в паровой фазе (далее - "паровая фаза воды"). Это, кроме того, может способствовать, в некоторой ограниченной степени, распределению тепловых потоков внутри блока топливного элемента.
Другой способ заключается в подводе воды в жидкой фазе (далее - "жидкая фаза воды") непосредственно к мембране 11, 34, например непосредственно к поверхностям электрода или в канавки 16 биполярных пластин 31. Преимущество такого способа заключается не только в обеспечении количества воды, необходимого для поддерживания ее высокого содержания в мембране, но также и в возможности значительного охлаждения топливного элемента за счет испарения и выделения скрытой теплоты парообразования. Подробно способ подвода жидкой фазы воды непосредственно к поверхностям электрода или в канавки 16 раскрыт в международной заявке PCT/GB03/02973 (на дату подачи данной заявки не опубликована). Поэтому в данном описании там, где это имеет отношение к раскрытию изобретения, воспроизведены релевантные части указанного патентного документа.
Такой способ непосредственного удаления тепла, который обеспечивает вывод тепловой энергии с помощью выходящего газового потока, имеет явное преимущество, связанное с возможностью исключения из батареи топливных элементов пластин охлаждения.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства, позволяющих улучшить работу батареи топливных элементов с испарительным охлаждением посредством ввода избыточного количества воды в канавки 16 катодного электрода.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение касается способа работы электрохимического топливного элемента, содержащего анод, ионообменную мембрану и катод, включающего стадии
подвода текучего топлива в проточные канавки для текучей среды, выполненные в аноде;
подачу текучего окислителя в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде;
отвод побочных продуктов реакции и неиспользованного окислителя из проточных канавок для текучей среды, выполненных в катоде; и
подачу достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды внутри катода так, чтобы по существу на всем протяжении канавок для текучей среды поддерживалась относительная влажность 100%.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение касается системы с электрохимическим топливным элементом, содержащей
по меньшей мере, одну анодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой имеются проточные канавки для текучей среды,
по меньшей мере, одну ионообменную мембрану,
по меньшей мере, одну катодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой имеются проточные канавки для текучей среды,
средства для подачи текучего топлива в анодные проточные канавки для текучей среды,
средства для подачи текучего окислителя в катодные проточные канавки для текучей среды,
средства ввода воды для подачи достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде, так, чтобы по существу на всем протяжении канавок для текучей среды при нормальных условиях работы топливного элемента поддерживалась относительная влажность 100%.
Примеры осуществления настоящего изобретения будут раскрыты в нижеследующем описании с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - схематический поперечный разрез части известного топливного элемента.
Фиг.2(а) и 2(b) - пластины топливного элемента, показанного на фиг.1, предназначенные для распределения потока текучей среды, схематический вид в плане и вид в разрезе.
Фиг.3 - известная батарея топливных элементов с биполярными пластинами, поперечный разрез.
Фиг.4(а) - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, выполненная со змеевидным каналом для потока текучей среды, вид в плане, демонстрирующий расположение контуров фольги для распределения воды и защитной фольги.
Фиг.4(b) - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, выполненная со встречно-гребенчатой структурой канала для потока текучей среды, вид в плане, демонстрирующий расположение контуров фольги для распределения воды и защитной фольги.
Фиг.5 - фольга для распределения воды, вид в плане.
Фиг.6 - пластина для распределения потока текучей среды, фольга для распределения воды и покрывающая фольга, в соответствии с фиг.4 и фиг.5, поперечный разрез.
Фиг.7 - часть сборной конструкции, показанной на фиг.6, вид в перспективе.
Фиг.8 - пластина для распределения потока текучей среды с обращенным взаимным расположением фольги для распределения воды и покрывающей фольги, поперечный разрез.
Фиг.9 - схематический вид в плане точек ввода воды для канавок встречно-гребенчатой структуры.
Фиг.10 - схема, иллюстрирующая принципы водяного охлаждения катода топливного элемента.
Фиг.11 - график, иллюстрирующий изменение массы паровой фазы воды, отнесенной к единице массы воздуха, в зависимости от температуры для условий полного насыщения, т.е. при относительной влажности, равной 100%.
Фиг.12 - график, иллюстрирующий изменение напряжения батареи топливных элементов в зависимости от расхода жидкой фазы воды, подводимой к катоду.
Фиг.13 - графическая зависимость, иллюстрирующая теоретический минимальный расход воды в зависимости от тока батареи топливных элементов.
Фиг.14 - блок-схема системы с батареей топливных элементов, включающей в себя систему управления подводом воды.
В процессе функционирования сборной батареи 30 топливных элементов в ней вследствие электрохимических и электрических потерь выделяется теплота. В одном примере исполнения топливного элемента 10 с испарительным охлаждением, входящего в состав батареи, схематически показанного на фиг.10, эта теплота отводится благодаря тому, что температура отводимых отработанных продуктов 100, 101 превышает входную температуру реагентов 102, 103, и за счет испарения жидкой фазы воды 104, подводимой к катоду 13 и испаренной в воздушном потоке 103, поступающем в катод. Установлено, что при всех уровнях выработки энергии, за исключением самых низких, испарительное охлаждение является преобладающим механизмом отвода теплоты.
Жидкая фаза воды 104 будет испаряться, если парциальное давление паровой фазы воды в воздушном потоке, проходящем через катод, будет достаточно низким, т.е. испарение будет происходить в таких условиях, когда относительная влажность составляет менее 100% и осуществляется подвод теплоты для испарения жидкой фазы воды. Как только локальные условия становятся такими, что относительная влажность воды составляет 100%, т.е. воздух насыщен парами воды, дальнейшего испарения не будет происходить до тех пор, пока не будет выполняться одно из трех следующих условий: (i) расход воздуха увеличивают таким образом, чтобы парциальное давление паровой фазы воды уменьшалось по обратно пропорциональной зависимости, (ii) полное давление уменьшается так, чтобы пропорционально понижалось парциальное давление паровой фазы воды, (iii) локальная температура возрастает, что приводит к смещению точки термодинамического равновесия, и в результате испарение может происходить еще до тех пор, пока воздух не станет полностью насыщен влагой.
Таким образом, для топливного элемента 10, функционирующего в условиях избытка воды в каждой точке катода 13 в батарее 30 топливных элементов, а также при постоянном давлении и постоянном расходе воздуха на катоде условия локального равновесия таковы, что воздух полностью насыщен парами воды, и любой дополнительный отвод теплоты посредством испарения может быть осуществлен только за счет повышения локальной температуры.
Реальное увеличение температуры для осуществления процесса испарения и, следовательно, охлаждения топливного элемента зависит от чувствительности точки равновесия испарения при преобладающих рабочих условиях и необходимой степени охлаждения. Фиг.11 качественно иллюстрирует изменение массы паровой фазы воды, отнесенной к единице массы воздуха, при изменении температуры для условий полного насыщения, т.е. в условиях 100%-ной относительной влажности и постоянства общего давления. Таким образом, рабочая температура батареи в значительной степени определяется интенсивностью испарения, необходимой для реализации процесса охлаждения, общим давлением и массовым расходом потока воздуха на катоде.
Как показано на фиг.11, при более высокой температуре небольшой рост температуры ΔТ приводит к значительному возрастанию Δm, т.е. массы паровой фазы воды, которая может содержаться в потоке воздуха, и, следовательно, к увеличению массы испаренной воды, что может происходить в результате выделения теплоты внутри топливной батареи. В результате температура топливной батареи в широкой области тепловых нагрузок будет оставаться приблизительно постоянной как в целом (т.е. в зависимости от изменения общей энергии топливной батареи), так и локально (за счет изменений величины локального тепловыделения вследствие неравномерности температуры внутри батареи при данной общей мощности батареи). Это обуславливает высокую степень неявного регулирования при рабочих температурах батареи и приводит к хорошему тепловому балансу, поддерживаемому по всей батарее.
Кроме того, наличие избытка воды в отдельных канавках 16 или проточных каналах сборной конструкции батареи 30 топливных элементов позволяет осуществлять косвенное регулирование расхода воздуха в каждом канале нижеследующим образом. Если в определенном канале расход воздуха превышает среднюю величину расхода, то в этом случае с целью дополнительного охлаждения, если оно необходимо, в поток воздуха может быть испарено дополнительное количество воды. Это приводит к повышению объемного расхода на выходе из проточного канала выше среднего уровня, что в условиях одинакового перепада давления по всем проточным каналам ограничивает расход воздуха в канале топливного элемента, обеспечивая неявное регулирование расхода воздуха с улучшением теплового баланса батареи и, следовательно, улучшением баланса напряжения в топливных элементах батареи. Одинаковый перепад давления по всем канавкам 16 обычно достигается за счет выбора соотношения размеров коллекторов 21, 22 и канавок 16.
Косвенное регулирование температуры батареи может быть реализовано, если это необходимо, путем уменьшения расхода воздуха, подводимого к катоду, и/или путем изменения общего давления подводимого к катоду потока воздуха. Другими словами, с этой целью может быть увеличен расход воздуха, что приводит к снижению парциального давления водяного пара за счет увеличения общего объема воздуха, в который может испаряться вода. Следовательно, может быть испарено добавочное количество воды до достижения состояния насыщения, что обеспечивает дополнительное охлаждение и приводит к снижению рабочей температуры топливной батареи.
В качестве альтернативы или дополнительно может быть уменьшено выходное давление. За счет снижения общего давления будет уменьшаться парциальное давление водяного пара. Это вызывает смещение точки термодинамического равновесия так, что до наступления состояния насыщения может быть испарено дополнительное количество воды, создавая тем самым дополнительное охлаждение и приводя к снижению рабочей температуры батареи.
Другие параметры, такие, как расход текучих сред на аноде, входная температура топлива и окислителя, поверхностные утечки и т.д., как было установлено, являются менее важными.
В предпочтительном воплощении системы, преимущественно не находящейся под давлением, типичная рабочая температура батареи топливных элементов составляет от 70 до 80°С. Однако, в принципе, эта температура может изменяться в интервале от 65 до 95°С за счет регулирования расхода воздуха и/или полного давления потока воздуха на аноде. При низких уровнях мощности, когда испарительное охлаждение не является доминирующим процессом, рабочая температура батареи может быть значительно более низкой. Функционирование системы при более высоких или более низких давлениях позволяет значительно изменять границы интервалов температур, указанных выше.
На практике средняя температура реагентов и жидкой фазы воды, вводимых в батарею топливных элементов, может быть ниже, чем рабочая температура батареи. Поэтому некоторая степень охлаждения будет обеспечена за счет нагрева этих входящих потоков до рабочей температуры топливной батареи. При достижении входящими потоками рабочей температуры батареи остальное охлаждения будет обеспечиваться вследствие испарения жидкой фазы воды в воздушный поток на катоде. Доля испарительного охлаждения зависит от ряда факторов, включая расход воздуха на катоде, расход воды, мощность батареи топливных элементов и температуру входящих потоков текучих сред. В большинстве случаев испарительное охлаждение является преобладающим механизмом процесса охлаждения, приводящим к высокой эффективности вышеупомянутого косвенного регулирования температуры. Однако, в тех случаях, когда средняя температура входящих потоков текучих сред ниже рабочей температуры топливной батареи, в той зоне батареи, в которую поступают реагенты и жидкая фаза воды, будет существовать температурный перепад.
Для того чтобы испарительное охлаждение было эффективным, в каждой части батареи топливных элементов должно находиться достаточное количество жидкой фазы воды. В случае недостатка воды энергетическая характеристика батареи будет ухудшаться с потенциально серьезными негативными последствиями.
Возможные проблемы включают в себя следующие: (i) осушение мембраны, приводящее к уменьшению напряжения на соответствующем топливном элементе, (ii) горячие пятна, обусловленные недостатком жидкой фазы воды и, следовательно, недостаточным испарительным охлаждением, приводящим к повреждению мембраны и сокращению срока ее службы.
Для обеспечения количества воды, достаточного для испарительного охлаждения, могут быть использованы следующие альтернативные методики: (i) точное дозирование жидкой фазы воды, подводимой к катоду, так, чтобы ее количество было как раз достаточным для поддерживания относительной влажности 100% по всей поверхности катода и в каждом топливном элементе батареи топливных элементов, или (ii) подвод избыточного количества жидкой фазы воды ко всей батарее так, чтобы избыток воды постоянно поддерживался по всей поверхности катода и в каждом топливном элементе батареи топливных элементов. Для обеспечения необходимого подвода жидкой воды к катоду каждая и любая катодная канавка 16 может иметь точки ввода воды, как это будет показано ниже.
В действующих топливных элементах трудно обеспечить точное дозирование жидкой воды к каждому компоненту батареи топливных элементов. Кроме того, допуски изготовления и неоднородность рабочих условий обуславливают различные требования для охлаждения в каждом участке батареи топливных элементов, что усиливает трудности, связанные с необходимостью точного дозирования.
Поэтому снабжение катода водой с таким избытком, что ее излишек на катоде всегда имеет место на каждом участке внутри батареи, является предпочтительным методом, поскольку позволяет избежать осушения мембраны, появления горячих пятен и приводит к улучшению эксплуатационных характеристик батареи и увеличению срока ее службы.
Итак, согласно одному основному аспекту изобретения подвод избытка жидкой фазы воды к катоду позволяет поддерживать относительную влажность 100% в катоде по существу на всем протяжении проточных канавок для текучей среды.
В соответствии с другим аспектом изобретения при функционировании топливного элемента подачу жидкой фазы воды к катоду и/или расход газа через катод для любой измеренной мощности, отводимой от топливного элемента, регулируют таким образом, чтобы на всех участках поверхности катода количество жидкой фазы воды было больше, чем может быть испарено при существующих температуре и давлении.
Согласно еще одному аспекту вышеуказанные условия работы топливного элемента применяют к множеству таких топливных элементов, входящих в состав батареи топливных элементов, имеющей общий коллектор подачи окислителя и общий коллектор ввода воды, так, что для любой измеренной мощности, отводимой от батареи топливных элементов, подачу жидкой фазы воды в коллектор ввода воды и/или расход газа через коллектор подвода окислителя регулируют таким образом, чтобы на всех участках поверхности катода всех топливных элементов количество жидкой фазы воды было больше, чем может быть испарено при существующих температуре и давлении.
Для практически используемой батареи, которой присущи реально существующие неоднородности, при нормальных рабочих условиях и величине водяного коэффициента менее единицы следует принимать во внимание, что некоторые элементы батареи могут получать меньшее количество жидкой фазы воды, чем это необходимо для поддерживания на катоде относительной влажности 100%, по существу по всей длине проточных канавок для текучей среды на катоде. Соответственно некоторые элементы батареи могут получать большее количество жидкой фазы воды, чем требуется для поддерживания относительной влажности 100%, по существу на всей длине проточных каналов для текучей среды в катоде. Поэтому согласно другому аспекту изобретения избыток подвода жидкой фазы воды к батарее выбирают таким образом, чтобы все компоненты этой батареи получали, по меньшей мере, минимальное количество жидкой фазы воды, необходимое для поддерживания относительной влажности, равной 100%, по существу на всем протяжении проточных каналов, имеющихся в катоде, что соответствует водяному коэффициенту батареи топливных элементов больше единицы.
Фиг.12 качественно иллюстрирует изменение напряжения топливной батареи в зависимости от расхода жидкой фазы воды, подводимой к катоду, для типичной батареи топливных элементов, функционирующей с испарительным охлаждением, работающей при постоянной величине тока и постоянном расходе воздуха на катоде. При низких расходах воды полное напряжение батареи уменьшается, свидетельствуя о том, что некоторые элементы батареи возможно не получают достаточного количества жидкой фазы воды для обеспечения соответствующего охлаждения и/или соответствующей гидратации мембраны. С увеличением расхода воды достигается максимальная величина напряжения батареи (показано позицией 120), при этом вода подводится в избытке ко всем составным частям батареи топливных элементов. При более высоких расходах воды напряжение батареи постепенно снижается, возможно, вследствие уменьшения результирующего парциального давления кислорода в воздушном потоке (замещаемого водой) на катоде и/или возможно в результате блокирования переноса газа к мембране или от мембраны за счет наличия воды.
Кроме того, при более высоких расходах воды баланс топливных элементов (как показывает контроль напряжения на топливных элементах) может ухудшаться, показывая тем самым величину верхнего предела максимального водяного коэффициента, который может быть реализован для данной батареи. Помимо того может быть так, что максимальный расход воды определяется максимально достижимой величиной расхода при использовании подходящего водяного насоса.
Несмотря на эти ограничивающие факторы было установлено, что может быть выделена большая рабочая область, в пределах которой к катоду могут поступать значительные количества избытка воды, обеспечивая достаточную гидратацию и охлаждение каждой составной части батареи топливных элементов.
Количество воды, подводимой к катоду, полезно представить в виде величины, кратной теоретическому минимальному ее количеству, необходимому для испарительного охлаждения, т.е. тем самым определяется "водяной коэффициент" ВК
w
w
ВК=m/m (minimum)
w
w
где m - массовый расход подводимой жидкой фазы воды, а m (minimum) - теоретический минимальный расход жидкой фазы воды, вычисляемый в соответствии с методикой, приведенной ниже.
Теоретическое минимальное количество воды, необходимое для испарительного охлаждения, может быть рассчитано путем составления теплового баланса для топливного элемента и, предполагая, что
(i) энтальпия реакции равна низкой теплотворной способности топлива, так как паровая фаза воды производится как продукт (в отсутствии избытка воды);
(ii) тепловая нагрузка на топливном элементе определена на основании экспериментальных данных по производительности (выходу реакции) в зависимости от тока топливной батареи;
(iii) тепловая нагрузка равна приросту энтальпии продуктов реакции по отношению к энтальпии исходных реагентов, включая в него полное испарение жидкой фазы воды, подводимой к катоду.
Следовательно, фактический водяной коэффициент для заданной рабочей точки может быть определен как кратное этой величины.
Следует учитывать, что водяной коэффициент может быть получен другими, по сравнению с изложенным выше, методами, при применении которых могут быть получены несколько иные предпочтительные интервалы величины водяного коэффициента, соответствующего данному здесь его определению.
На фиг.13 схематически показан теоретический минимальный расход жидкой фазы воды в зависимости от тока батареи, т.е. местоположение точек для водяного коэффициента, равного единице, обозначенное на чертеже линией WF=1. При увеличении тока батареи требуемый расход воды возрастает не линейно, т.к. при более высоких величинах тока эффективность работы батареи уменьшается, что обуславливает нелинейное увеличение количества выделяемой теплоты.
Как было отмечено выше, неоднородности в батарее и их влияние на расход воды при оптимальной эксплуатационной характеристике (на фиг.12 соответствует области между линиями 121 и 122) диктуют необходимость функционирования реальной батареи топливных элементов, в которой невозможно отдельное дозирование воды внутрь батареи в каждой ее точке, при минимальной величине водяного коэффициента, которая допускает некоторый предел указанных неоднородностей. Другими словами, реализуемый водяной коэффициент должен быть достаточно больше единицы, чтобы обеспечить для всех топливных элементов батареи и всех компонентов каждого топливного элемента относительную влажность, равную 100%. Максимальная величина используемого водяного коэффициента диктуется максимально приемлемым падением эксплуатационных характеристик батареи. Предпочтительные нижний и верхний пределы водяного коэффициента WF в зависимости от тока батареи качественно отображены на фиг.13 пунктирными линиями 130 и 131.
Верхний и нижний пределы 130 и 131 водяного коэффициента могут быть определены посредством испытаний или тарировки подходящей батареи 30 топливных элементов. Тарировка батареи может быть проведена путем изменения расхода воды, поступающей к катоду, работающему при постоянной величине тока и постоянном стехиометрическом количестве воздуха, с целью определения минимальных расходов воды, показанных линией 121, и максимальных расходов воды, показанных линией 122. Эту тарировку повторяют в интервале возможных токов батареи (и, возможно, в интервале допустимых стехиометрических количеств воздуха), который будет соответствовать обычному интервалу рабочих условий батареи. Таким образом, тарировка устанавливает верхний и нижний пределы водяного коэффициента в зависимости от тока батареи.
Используемый здесь термин "стехиометрическое количество воздуха" означает количество кислорода, поступающее на вход 103, нормализованное по количеству кислорода, потребляемого в электрохимической реакции. Таким образом, при стехиометрическом количестве воздуха, равном 1, весь кислород воздуха соединяется с водородом с образованием воды. При стехиометрическом количестве воздуха, равном 2, в топливном элементе 10 потребляется 50% кислорода и 50% содержится в потоке на выходе 101 из катода. Количество кислорода, необходимое для реакции, находится в прямой зависимости от мощности батареи, к.п.д. батареи и изменения энергии в результате реакционного взаимодействия.
В условиях массового производства можно также проводить испытание ряда представительных батарей для того, чтобы можно было установить единый ряд допусков с приемлемыми границами погрешностей, которые будут подходящими для всех топливных батарей данной серии.
В предпочтительном воплощении расход воздуха 103 на катоде регулируют соразмерно току батареи таким образом, что батарея работает со стехиометрическим количеством воздуха, приблизительно равным 2, установленным требованиями электрохимических процессов. На практике, однако, расход воздуха на катоде можно изменять так, чтобы стехиометрическое количество воздуха находилось в интервале от 1,1 до 10 и более предпочтительно в интервале от 1,4 до 4, в зависимости от конкретных требований для данной батареи топливных элементов. При низких токах и, следовательно, низком потреблении реагентов в топливном элементе стехиометрическое количество воздуха может быть значительно выше этих величин, поскольку минимальный расход воздуха ограничен минимальным расходом, обеспечиваемым воздушным компрессором.
В предпочтительном воплощении изобретения, как установлено, расход воды является линейной функцией тока батареи, что схематически отражено на фиг.13. Водяной коэффициент для этого метода регулирования обычно изменяется в интервале от 1,5 до 40, более предпочтительно - в интервале от 3 до 6.
На практике водяной коэффициент может быть выбран каким-либо в диапазоне от 0 до 40 в зависимости от рабочих условий батареи и допустимого максимального ухудшения характеристик батареи вследствие избытка воды (см. фиг.12). Например, если батарея работает с низкой выходной мощностью или запускается в холодных условиях и, следовательно, не достигает максимальной рабочей температуры, в целях временного увеличения скорости разогрева батареи расход воды может быть установлен с низким значением водяного коэффициента или уменьшен до нуля.
В целях индикации рабочей температуры батареи и осуществления процесса регулирования с обратной связью насоса для подачи воды может проводиться непрерывный контроль выходной температуры на катоде. Таким образом, в одном аспекте данная система может обеспечить временно подачу некоторого количества воды в проточные канавки для текучей среды, имеющиеся внутри катода, так, чтобы поддерживать относительную влажность менее 100% (водяной коэффициент меньше единицы) в том случае, если температура на выходе из катода ниже предварительно заданного порога, соответствующего недостаточно оптимальной рабочей температуре, или в течение предварительно заданного периода времени, следующего за холодным запуском топливного элемента.
crit
Для регулирования подачи воды могут быть использованы дозирующий насос, блок управления расходом или метод регулирования давления. При низких уровнях мощности необходимое количество воды может быть ниже минимального расхода, который может быть получен с помощью используемого водяного насоса. Поэтому при низких уровнях мощности может быть установлен минимальный расход воды, соответствующий заданному значению минимального напряжения для водяного насоса, чтобы предотвратить срыв насоса. Это схематически показано на фиг.13 для величин тока менее I.
Следует принимать во внимание, что количество воды, подводимой в батарею топливных элементов, может, в принципе, соответствовать какой-либо зависимости от тока, при условии, что величина расхода воды находится в пределах между минимальным и максимальным уровнями водяного коэффициента, определяемого путем тарировки соответствующей батареи топливных элементов или ряда типичных батарей топливных элементов.
Поскольку методика управления величиной водяного коэффициента имеет определенные границы, дополнительная гибкость при осуществлении охлаждения может быть достигнута путем регулирования расхода воздуха на катоде и/или общего давления воздуха на катоде.
В дополнение к изложенному выше батарея может быть выполнена с возможностью непрерывного контроля напряжения топливных элементов так, что рабочее напряжение служит индикатором недостатка или избытка воды, при этом необходимое регулирование осуществляется в реальном времени.
Пример схемы управления водяной системой в батарее топливных элементов раскрыт далее со ссылкой на фиг.14.
Система 140 с топливными элементами включает в себя батарею 30 топливных элементов, снабженную линией 102 подвода топлива, линией 100 отвода от анода, линией 103 подачи воздуха, линией 104 нагнетания воды и линией 101 отвода от катода. Линия подвода топлива проходит от источника 141 топлива, возможно через увлажнитель 142 в соответствии с хорошо известными принципами. Линия 100 отвода от анода может быть соединена непосредственно с окружающей средой 143, или же, по меньшей мере, частично в соответствии с известными принципами может быть осуществлена рециркуляция потока, с использованием для этого контура 144 регулирования рециркуляции. Линия 103 подачи воздуха питается от воздушного компрессора 145. Линия 104 нагнетания воды питается от водяного насоса 146. Вода может подаваться от соответствующего источника очищенной воды или может рециркулировать с выхода катода через подходящий охладитель (не показан). Линия 101 отвода потока от катода может быть направлена в окружающую среду и предпочтительно содержит выходной датчик 147, который измеряет, по меньшей мере, выходную температуру.
К выходу катода может быть подсоединен насос 148 для уменьшения и/или регулирования давления на выходе катода. Насос 148 может быть использован в дополнение к подаче сжатого воздуха от компрессора 145 или вместо нее, т.е. подача воздуха в ином случае может осуществляться и при атмосферном давлении.
Кроме того, система 140 с топливными элементами содержит блок 150 управления, который предпочтительно получает входные сигналы от датчиков, соответствующие напряжению 151 батареи, току 152 батареи и выходной температуре 153. Блок 150 управления с помощью подходящих линий передачи управляющих сигналов может быть также подключен к воздушному компрессору 145 и насосу 146 для подачи воды.
Блок управления 150 может быть выполнен с возможностью функционирования в двух режимах.
В первом режиме работы блок 150 управления может быть приспособлен для получения данных тарировки, используемых для последующего функционирования батареи 30 топливных элементов. В режиме тарировки блок 150 управления с помощью насоса 146 изменяет расход воды, которая подводится к батарее в условиях постоянного входного давления воздуха и постоянного отвода тока от батареи топливных элементов, а также принимает измеренные сигналы напряжения батареи для определения по их величине соответствующих минимального и максимального уровней водяных коэффициентов 121 и 122 (фиг.12). Данные измерений величины напряжения сохраняются в тарировочной таблице 154. Тарировка может быть повторена для одной или более различных нагрузок по току, различных входных давлений воздуха и различных стехиометрических количеств воздуха с целью накопления ряда полных всесторонних данных, подходящих для регулирования подачи воды к батарее в области рабочих режимов топливных элементов.
Во втором рабочем режиме блок 150 управления приспособлен для использования полученных данных тарировки, накопленных в тарировочной таблице 154, с целью поддерживания оптимальных условий функционирования батареи топливных элементов. Например, блок 150 управления приспособлен для непрерывного контроля напряжения и тока батареи и управления насосом 146 подачи воды (и, возможно, воздушным компрессором) для поддерживания соответствующей величины водяного коэффициента при оптимальных эксплуатационных характеристиках топливного элемента. В предпочтительных системах величина водяного коэффициента составляет от 1,5 до 40, более предпочтительно от 3 до 6.
Как было отмечено выше, блок управления может также с помощью датчика 147 осуществлять текущий контроль температуры выхода из катода и обеспечивать подачу небольшого количества воды в том случае, когда температура на выходе из катода ниже предварительно выбранного порогового значения, соответствующего недостаточно оптимальной рабочей температуре, например, в процессе запуска топливного элемента. В другом примере регулирование указанной стадии "разогрева" может производиться с помощью реле времени, а не по выходной температуре.
В примере осуществления, иллюстрируемом на фиг.14, блок управления приспособлен как для проведения первоначальной тарировки батареи топливных элементов, так и для поддерживания оптимальных текущих условий ее работы. Однако было установлено, что для топливных элементов известного типа или предварительно оттарированных систем тарировочная таблица 154 предварительно может быть загружена данными, полученными при эксплуатации батареи, для использования их в блоке 150 управления потреблением воды.
Несмотря на то, что пример осуществления изобретения, иллюстрируемый на фиг.14, демонстрирует "глобальное" регулирование батареи 30 топливных элементов с помощью блока 150 управления, следует понимать, что более точное регулирование может быть достигнуто в том случае, когда возможен подвод воды к различным топливным элементам или к различным группам топливных элементов. Например, если в системе имеется большое количество независимо регулируемых мест ввода воды в батарею топливных элементов, то можно отдельно измерять напряжение и ток для того, чтобы производить локальное изменения подачи воды к каждой из частей батареи топливных элементов.
Возможно использование ряда устройств, обеспечивающих подачу строго контролируемого количества жидкой фазы воды в проточные канавки, выполненные в катодных пластинах для распределения потока текучей среды. Такие типичные устройства раскрыты в заявке PCT/GB/02973 (на дату подачи данной заявки не опубликована), и их подробное описание приведено ниже со ссылками на фиг.4-9.
В соответствии с фиг.4(а) и фиг.4(b) настоящее изобретение предусматривает наличие ряда каналов для подачи воды, проходящих между входным коллектором 25 для воды и отдельными канавками 16, выполненными в пластинах 40а и 40b для распределения потока текучей среды. Вообще говоря, каналы для подачи воды образованы с помощью мембраны или слоистой конструкции, размещенной на поверхности пластины 40 для распределения потока текучей воды. Каналы для подачи воды имеют входные отверстия, сообщающиеся с входным коллектором 25 для воды, и выходные отверстия, которые в пластине для распределения потока текучей среды определяют границы предварительного выбора мест подачи воды в канавки 16.
В предпочтительном исполнении слоистая структура представляет собой два слоя фольги 41, 42, покрывающие пластину 40, положение которых показано на фиг.4(а) и фиг.4(b) пунктирными линиями.
На фиг.4(а) представлен вид в плане пластины 40а для распределения потока текучей среды со змеевидной канавкой 16, покрытой фольгой 41а и фольгой 42а, имеющими первые кромки 43а, 44а, положение которых совпадает с входным коллектором 25 для воды, и вторые кромки 45а, 46а, расположенные в предварительно выбранном месте 49 канавки 16, в котором осуществляется подвод воды, или вблизи этого места.
Фиг.4(b) иллюстрирует вид в плане пластины 40b для распределения потока текучей среды, выполненной с двумя встречно-гребенчатыми структурами 47,48 канавок, каждая из которых сообщается с соответствующим коллектором 21, 22. Пластина снабжена фольгой 41b и фольгой 42b, первые кромки 43b, 44b которых совмещены с входным коллектором 25 для воды, а вторые кромки 45b, 46b расположены в предварительно выбранных местах канавки 47, в которых осуществляют подвод воды, или вблизи этих мест подвода. Следует отметить, что указанные две фольги могут быть продублированы на противоположном краю пластины 40b между вторым входным коллектором 25 для воды и предварительно выбранными местами ввода воды на канавке 48.
На фиг.5 представлен детальный вид сверху конфигурации фольги 41 для распределения воды, иллюстрирующий предпочтительные пути прохождения каналов 50 для подачи воды. Каналы 50 образованы первым рядом канавок 51, которые продолжаются от первой кромки 43 фольги 41, размещенной у входного коллектора 25 для воды, к галерее или небольшому пространству 52, распределяющему воду по давлением и размещенному по длине фольги 41. Распределительная галерея 52 сообщается со вторым рядом канавок 53, которые проходят ко второй кромке 45 фольги для сообщения с канавками 16, выполненными в пластине для распределения текучей среды. Для реализации указанного сообщения второй ряд канавок 53 сгруппирован таким образом, чтобы они заканчивались соответствующими сходящимися конфигурациями 54 на второй кромке 45 фольги 41, служащей для подачи воды.
В иллюстрируемом предпочтительном воплощении сходящиеся конфигурации 54 канавок заканчиваются в дугообразных выемках 55, вырезанных во второй кромке 45 фольги 41 в местах 49 ввода воды, которые соответствуют предварительно выбранным местоположениям поверх канавок 16, показанных на фиг.5 контурными линиями.
Галерея 52 для распределения воды под давлением предпочтительно включает в себя группу сообщающихся канавок 56, которые отводят входящий поток воды от первого ряда канавок 51 и эффективно распределяют его вдоль всей длины фольги 41 так, чтобы в каждую группу второго ряда канавок 53 вода поступала по существу с одинаковым давлением.
Покрывающая фольга 42, показанная фиг.4(а) и фиг.4(b), представляет собой фольгу без рельефной структуры (т.е. без канавок), имеющую по существу одинаковый внешний профиль с нижней фольгой. Покрывающая фольга 42 выступает за пределы кромки распределительной фольги 41, по меньшей мере, на концах второго ряда канавок, чтобы обеспечить направление воды вниз в необходимую канавку 16 распределительной пластины. Наиболее удобно такое наложение одной фольги на другую достигается с помощью выемки 55, сформированной в распределительной фольге 41, а не в покрывающей фольге 42. Таким образом, как лучше всего видно на увеличенном изображении поперечного сечения на фиг.6, покрывающая фольга 42 образует верхний закрывающий герметизирующий элемент для канавок 51, 52 и 53 с образованием каналов 50 для подачи воды, а концы канавок 51 и 53 остаются открытыми. В представленном воплощении покрывающая фольга 42 может быть выполнена слегка большего размера, чем распределительная фольга 41, так, что она перекрывает вторую кромку 45 (а возможно и первую кромку 43) с получением такого же результата.
Следует отметить, что слои фольги выполнены весьма тонкими по сравнению с толщиной пластины 40 и легко размещаются внутри мембраноэлектронной сборки 34 при наличии какой-либо прокладки, размещенной между пластинами. На фиг.6 для ясности эти элементы показаны с небольшим разделением, хотя в сборе они, конечно, будут прижаты друг к другу.
На фиг.7 схематически представлена перспектива водораспределительной фольги 41, размещенной поверх пластины 40 для распределения потока текучей среды, и показано совмещение различных канавок и коллекторов.
Следует отметить, что канавки 51, 52 и 53 для распределения воды не обязательно формировать в нижней фольге 41. В другом примере осуществления, показанном на фиг.8, канавки 80 для распределения воды образованы на нижней поверхности верхней фольги 82, в то время как нижняя фольга 81 служит элементом, закрывающим канавки 80 с образованием проточных каналов для подачи воды. Другими словами, распределительная фольга 82 и покрывающая фольга 81 в этом примере исполнения поменялись местами по сравнению с конструктивным выполнением, показанным на фиг.6.
В конструктивном выполнении, представленном на фиг.8, по меньшей мере, второй ряд канавок (по сравнению с канавками 53 на фиг.5) не доходит точно до второй кромки 83 верхней фольги, а заканчивается в точках, близких ко второй кромке. Нижняя (покрывающая) фольга 81 будет проходить почти до конца канавок 80, но предпочтительно будет заканчиваться немного раньше этих канавок, чтобы была обеспечена возможность сообщения по текучей среде между концом канавки 80 и канавкой 16 пластины в местах 49 ввода воды.
Как отмечено выше, нижняя (покрывающая) фольга 81 закрывает канавки 80, образуя преграду, предотвращающую вытекание из них воды в нижележащие канавки 16, имеющиеся в пластине 40 для распределения потока текучей среды, в не предусмотренных местах, например там, где каналы для подачи воды пересекают канавки 16 для протекания топлива и/или окислителя (например, в точке 85).
Предпочтительно, обе описанные выше фольги изготовлены из металла, например из нержавеющей стали. Однако может быть использован любой подходящий металл, имеющий соответствующие свойства для удерживания воды под давлением, и термин "фольга", используемый в тексте описания настоящего изобретения, следует толковать соответствующим образом. Предпочтительно фольги являются электропроводящими, однако, это не является необходимым, поскольку они не проходят в рабочую зону МЭС.
В предпочтительном воплощении канавки 16 для текучей среды в анодных или катодных пластинах 40, как правило, имеют ширину и глубину от 0,4 мм до 1,2 мм. Установлено, что ширина и глубина канавки, вытравленной химически в фольге для распределения воды, составляющая порядка 10 мкм, достаточна для обеспечения подачи воды в необходимом количестве.
При практическом использовании давление воды, подводимой через коллектор 25, регулируют для создания значительной разности между давлением подачи воды и давлением газа в канавках 16 для распределения текучей среды, достигая равномерного распределения воды по тысячам каналам, по которым она протекает. В предпочтительном воплощении воду подводят к коллектору при давлении воды по манометру в интервале от 0,5 до 3 бар.
Преимущество данного подхода к решению поставленной задачи заключается в том, что описанная мембрана для распределения воды имеет крайне малую толщину и легко может быть размещена внутри имеющегося объема в биполярных пластинах или в зонах размещения прокладок.
Точность объемного распределения воды может также достаточно строго регулироваться с помощью подходящей конфигурации каналов и размеров канавок.
Как показано на фиг.9, вода, которая распределяется по канавкам 90 встречно-гребенчатой структуры в пластине 40 для распределения текучей среды, может быть введена или в месте 91 расположения входного участка канавки, за подводящей канавкой 92, или, в качестве альтернативы, в выходной конец 93 канавки, в точке 94, находящийся на том же конце биполярной пластины, где размещен входной водяной коллектор.
Преимущество подачи воды в выходные участки канавки заключается в уменьшении перепада давления в потоках реагирующих газов. Это обусловлено тем, что вода не проходит через диффузионный материал и не перекрывает объем пор для прохода газа. Кроме того, непрохождение потока воды через диффузионный материал будет также уменьшать истирание этого материала, его постепенное дробление и повреждение конструкции.
Процесс испарительного охлаждения эффективно действует в выходных участках канавок, а содержание воды в мембране поддерживается благодаря насыщению воздуха парами воды.
Следует отметить, что в пределах объема формулы изобретения предусмотрены и другие примеры осуществления изобретения.