БАТАРЕЯ МНОГОСЕКЦИОННАЯ МОНОБЛОЧНАЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОВЫШЕННОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

Полезная модель относится к области электрохимических топливных элементов (ТЭ) с твердополимерным электролитом, использующих в качестве топлива водород и в качестве окислителя - кислород, содержащийся в атмосферном воздухе и может быть использована в батареях электрохимических генераторов (ЭХГ) транспортного и стационарного назначения. Топливные элементы, собранные в батарею, должны обеспечивать заданную мощность при установленном напряжении для нормальной продолжительной эксплуатации, обладать высокой удельной плотностью мощности при минимальном потреблении энергии вспомогательными устройствами, обеспечивающими работу ТЭ. Решение этих задач позволит понизить стоимость вырабатываемой батареей ТЭ мощности и облегчить коммерциализацию батарей на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом.
При работе ТЭ с воздухом, последний должен подаваться в больших объемах, чтобы компенсировать недостаточную, по сравнению с чистым кислородом, концентрацию кислорода и обеспечить необходимые стехиометрические условия электрохимической реакции, а также создать достаточную скорость в катодных камерах ТЭ для удаления из каналов реакционной воды и устранения их возможного затопления и создания "мертвых" зон, ухудшающих характеристики ТЭ. Другим немаловажным аспектом в работе батареи ТЭ является перепад давления между входом и выходом воздуха, обусловленный его большим расходным объемом и предопределяющим увеличение давления воздуха на входе в ТЭ и требующим повышения мощности вспомогательных устройств.
Таким образом, в конструкции ТЭ существует следующая проблема - рабочие характеристики ТЭ улучшаются при увеличении давления реагентов и их расхода, повышая установленную мощность, в тоже время как затраты на собственные нужды также повышаются, сокращая при этом увеличение полезной мощности.
Из известных ЭХГ наиболее близким, принятым за прототип, является ЭХГ, конструкция которого включает водородный электрод, воздушный электрод, полимерный электролит, размещенный между электродами, биполярную пластину воздушного электрода с каналами, использующая в качестве топлива водород и в качестве окислителя - кислород, содержащийся в воздухе (патент США № US 005879826 A. Опубл. 09.03.1999 г.).
2
2
Согласно изобретению воздух в ЭХГ подается под давлением от 0,07 до 0,34 кгс/см при скорости потока в воздушных каналах от 0,15 до 7 м/с с изменением направления потока воздуха в пределах катодной камеры ТЭ. Падение давления между входом и выходом воздуха поддерживается в пределах от 0,07 до менее 0,34 кгс/см.
Недостатками прототипа являются:
- горизонтальное расположение воздушных каналов ТЭ, затрудняющее удаление реакционной воды из каналов при низких перепадах давления на ТЭ и создающие условия к затоплению топливного элемента, снижению плотности удельной мощности батареи и возможного ее отказа вследствие "переполюсовки";
- изменение направления потока предусматривает наличие внутренних изменяющих направление потока коллекторов, в которых (в нижней их области) возможно скопление реакционной воды с образованием свободного уровня и дополнительное затопление нижних каналов, снижающих плотность удельной мощности батареи;
- большая суммарная длина воздушных каналов ТЭ, снижающая эффективность работы активной поверхности мембранного электродного блока вследствие снижения концентрации кислорода в потоке воздуха по длине канала, поляризации катода и концентрационных потерь;
- высокая вероятность заполнения части проходного сечения газовых каналов материалом газодиффузионной подложки электродов вследствие продавливания подложки в канал, с уменьшением проходного сечения канала и ухудшением условий удаления реакционной воды.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы и эксплуатационной надежности топливных элементов и электрохимических генераторов на их основе с минимальными потерями мощности на обслуживающие системы.
2
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение гидравлических характеристик топливных элементов при работе под избыточным давлением реагентов не более 0,15 кгс/см с поддержанием достаточного расхода воздуха при скоростях в каналах ТЭ от 0,15 до 7 м/с, минимизированным перепадом давлений на ТЭ.
Технический результат достигается позиционированием воздушных каналов в ТЭ, улучшением условий обтекания катода и удаления реакционной воды из катодной камеры, вторичного использования подаваемого в батарею ТЭ воздуха в следующем блоке батареи ТЭ за счет:
- вертикального расположения воздушных каналов катода с сокращением их длины и исключением изменения направления воздушного потока в пределах катодной камеры ТЭ;
- исключения из конструкции ТЭ внутренних коллекторов;
- установки металлической сетки между газодиффузионной подложкой электродов и биполярной пластиной;
- объединения в единый моноблок двух и более блоков батарей ТЭ, расположив их вертикально друг над другом, с выходом отработавшего воздуха от одного блока батареи непосредственно в следующий блок.
Серия вертикальных воздушных каналов, расположенных по короткой стороне (ширине) прямоугольного ТЭ, обеспечивает надежное удаление реакционной воды из каналов под воздействием гравитационных сил и потока воздуха через канал, а при уменьшенной длине канала сокращается разница в концентрации кислорода в воздухе на входе в канал и при выходе из него, при этом, в связи с отсутствием необходимости изменения направления движения воздушного потока внутренние коллекторы исключены.
Металлическая сетка, расположенная между воздушными и водородными электродами и биполярными пластинами исключает продавливание полимерного электролита в канал, улучшает условия удаления реакционной воды, а также обеспечивает равномерность отбора электрического тока от катода за счет его выравнивания по материалу сетки.
Конструктивное исполнение ЭХГ из двух и более блоков батарей, расположенных вертикально друг над другом и объединенных в моноблок, с выходом окислителя (воздуха) из одного блока батареи непосредственно в следующий блок целесообразно для вторичного использования отработавшего в первом блоке воздуха с высокой концентрацией кислорода.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема моноблока из двух блоков батарей, на фиг. 2 изображен в сечении общий вид топливного элемента, где обозначены:
1 - Блок батареи 1;
2 - Блок батареи 2;
3 - Фланец отвода окислителя (воздуха);
4 - Штуцеры подвода топлива (водорода);
5 - Биполярная пластина воздушного электрода;
6 - Вертикальные воздушные каналы;
7 - Фланец подвода окислителя (воздуха);
8 - Металлическая сетка воздушного электрода;
9 - Полимерный электролит;
10 - Металлическая сетка водородного электрода;
11 - Биполярная пластина водородного электрода;
12 - Воздушный электрод с газодиффузионной подложкой;
13 - Водородный электрод с газодиффузионной подложкой;
14 - Фланец соединения батарей;
15 - Водородные каналы;
Моноблок состоит из двух блоков батарей 1 и 2. Топливо (водород) подводится к батареям топливных элементов через штуцеры 4 и по горизонтальным водородным каналам 15 пластины водородного электрода 11 распространяется по поверхности водородного электрода с газодиффузионной подложкой 13; окислитель (воздух) подводится к блоку батареи 1 через фланец 7, затем по вертикальным воздушным каналам 6 биполярной пластины воздушного электрода 5 распространяется по поверхности воздушного электрода с газодиффузионной подложкой 12. Участвующий в реакции окислитель с еще значительным содержанием кислорода через фланцевое соединение 14 непосредственно направляется в блок батареи 2, а затем через фланец 3 отводится от блока батареи 2. Для исключения продавливания полимерного электролита 9 в воздушные 6 и водородные каналы 15 между биполярными пластинами электродов 5, 11 и электродами 12, 13 установлена металлическая сетка водородных 10 и воздушных электродов 8.
Таким образом, использование окислителя, отработанного в одном блоке батарей топливных элементов, но содержащего еще значительное количество кислорода, в следующем блоке батарей позволяет значительно улучшить экономические показатели энергетической установки с топливными элементами, а установка металлической сетки исключает продавливание электродов с газодиффузионной подложкой в воздушные и водородные каналы.