БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, именно, к устройству батареи топливных элементов и может найти применение при создании автономных источников питания в широком диапазоне мощностей.
Известно устройство, содержащее сборку топливных элементов, емкости для хранения водорода, кислорода, воды и систему трубопроводов, объединяющую указанные составляющие (см. патент США №5506066, МКИ 6 Н01М 8/04).
К недостаткам следует отнести сравнительно сложную конструкцию известного устройства, связанную с наличием в нем газожидкостного сепаратора, основной и дополнительной емкости для воды и батареи электролизных элементов.
Наиболее близким техническим решением является батарея топливных элементов, содержащая мембранно-электродную сборку, включающую протонобменные мембраны, биполярные пластины, токовыводящие электроды и концевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного и катодного газов и охлаждающей жидкости, средства для поддержания их рабочих параметров (см. заявку на изобретение РФ №2004104350. МПК 7 Н01М 8\02, 2005 г. - прототип).
Особенностью известного устройства является то, что батарея топливных элементов включает анодное впускное отверстие для входа в него потока топлива, катодное впускное отверстие для входа в него потока кислорода, катодный выход для выведения катодного отработанного газа,
канал хладоагента для его направления через батарею топливных элементов и интегрированный блок теплообменника, содержащий конденсатор катодного отработанного газа и охладитель батареи топливных элементов, установленные рядом друг с другом для их охлаждения общим охлаждающим потоком воздуха.
Недостатком известного устройства является сложность регулировки рабочих параметров анодного и катодного газов и хладоагента в активном объеме батареи топливных элементов, связанная, в том числе, с несовершенством системы поддержания влажности катодного газа в области компонентов мембранно-электродной сборки, что приводит к снижению выходных характеристик батареи.
Решаемой задачей является создание интегрированной батареи топливных элементов для автономных источников питания, обладающей повышенными эффективностью и эксплуатационными характеристиками при работе на водороде и воздухе с жидкостным охлаждением мембранно-электродной сборки.
Указанная задача решается тем, что в батарее топливных элементов, содержащей мембранно-электродную сборку, включающую протонобменные мембраны, биполярные пластины, токовыводящие электроды и концевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного и катодного газов и охлаждающей жидкости, средства для поддержания их рабочих параметров, согласно полезной модели, батарея содержит блок управления температурой охлаждающей жидкости и влажностью катодного газа, термостат с датчиком температуры и нагревателем охлаждающей жидкости, мембранный увлажнитель с датчиком влажности катодного газа и блок импульсного изменения давления анодного и катодного газов на выходе из батареи, включающий электромагнитный клапан сброса давления анодного газа и соединенные параллельно дроссель и электромагнитный клапан сброса давления катодного газа, причем емкости термостата и увлажнителя размещены между торцом
мембранно-электродной сборки и концевой плитой так, что термостат, увлажнитель и каналы охлаждения мембранно-электродной сборки образуют замкнутый контур с внешним теплообменником для утилизации вырабатываемого батареей тепла, выходы датчиков температуры и влажности соединены со входами упомянутого блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены, соответственно, с управляющими входами электромагнитных клапанов сброса давления анодного и катодного газов и нагревателя.
Кроме того, на боковой поверхности мембранно-электродной сборки батареи может быть закреплен излучатель ультразвукового вибратора, управляющий вход блока питания которого может быть соединен с четвертым выходом указанного блока управления, а канал отвода охлаждающей жидкости из батареи может быть соединен с входом внешнего теплообменника через электромагнитный клапан перепуска охлаждающей жидкости в линию байпаса, причем управляющий вход данного клапана может быть соединен с пятым выходом упомянутого блока управления.
Использование в предложенном интегрированном устройстве батареи топливных элементов блока управления температурой охлаждающей жидкости и влажностью катодного газа, термостата, мембранного увлажнителя и блока импульсного изменения давления анодного и катодного газов на выходе из батареи обеспечивают повышение эффективности, надежности и других эксплуатационных характеристик батареи при работе на водороде и воздухе. Функционирование термостата и увлажнителя воздуха обеспечивает поддержание выходной электрической и тепловой мощности батареи, в том числе, при обводнении капиллярных каналов газодиффузионных слоев сборки за счет вывода избытка жидкости из капилляров катодной зоны путем кратковременного импульсного сброса давления катодного и анодного газов в объеме батареи.
Это обеспечивает автоматическую стабилизацию электрохимических режимов работы мембранно-электродной сборки батареи на номинальном режиме в течение длительного периода времени. Решению поставленной задачи также способствует использование колебаний, вызываемых дополнительным ультразвуковым излучателем, установленным на мембранно-электродной сборке для облегчения вывода капель жидкости из катодной зоны при импульсном сбросе давления газа.
На фиг.1 представлена блок-схема батареи топливных элементов.
Батарея топливных элементов содержит мембранно-электродную сборку 1 на основе протонобменных мембран с концевыми плитами 2, блок управления 3, предназначенный для регулировки температуры охлаждающей жидкости и влажности катодного газа, термостат 4 с датчиком температуры 5 и нагревателем 6 охлаждающей жидкости, мембранный увлажнитель 7, датчик влажности 8 катодного газа на выходе батареи и блок 9 импульсного изменения давления анодного и катодного газов на выходе из батареи. Блок 9 содержит электромагнитный клапан 10 сброса давления анодного газа и соединенные параллельно дроссель 11 и электромагнитный клапан 12 сброса давления катодного газа.
Емкости термостата 4 и увлажнителя 7 размещены между торцом мембранно-электродной сборки 1 и концевой плитой 2 так, что термостат 4, увлажнитель 7 и каналы 13 охлаждения мембранно-электродной сборки образуют замкнутый контур с внешним теплообменником 14 для утилизации вырабатываемого батареей тепла. Указанный контур заполнен охлаждающей жидкостью, преимущественно, водой при нормальной температуре и содержит насос 15, запорный вентиль 16 и электромагнитный клапан 17 перепуска охлаждающей жидкости в линию
байпаса, минуя теплообменник 14. Выходы датчиков 5, 8 температуры и влажности соединены со входами блока 3 управления, первый, второй и третий выходы которого соединены, соответственно, с управляющими входами электромагнитных клапанов 10, 12 сброса давления анодного и катодного газов и с входом нагревателя 6.
Четвертый выход блока управления 3 соединен с управляющим входом электромагнитного клапана 17 перепуска охлаждающей жидкости, а пятый выход блока управления 3 соединен с управляющим входом блока питания 18 излучателя 19 ультразвукового вибратора.
Выход воздушного компрессора 20 соединен через вентиль 21 с входом распределительного коллектора каналов 22 подачи воздуха в катодную зону мембранно-электродной сборки 1, выход которых соединен через датчик влажности 8 с входами дросселя 11 и электромагнитного клапана 12 сброса давления катодного газа, входящих в состав блока 9. Выход источника 23 водорода соединен через запорный вентиль 24 и каналы 25 анодной зоны мембранно-электродной сборки 1 с входом электромагнитного клапана 10 сброса давления анодного газа.
Батарея топливных элементов, благодаря использованию указанных интегрированных в ней средств для поддержания рабочих параметров анодного и катодного газов и охлаждающей жидкости, может быть выполнена на выходную электрическую мощность до 10 кВт и выше. В батарее используется водород и воздух давлением около 0,2 МПа и вода при нормальной температуре. Мембраны толщиной 50-150 мкм электродной сборки могут быть выполнены, например, на основе материала NAFION, из него также может быть выполнена мембрана увлажнителя. Газодиффузионные слои сборки могут быть выполнены из нетканого углеграфитового материала или из гидрофобизированной фторопластом ткани, биполярные пластины - из металла (титан, нержавеющая сталь). В качестве ультразвукового излучателя может использоваться пластинчатый пьезокерамический излучатель с резонансной частотой 30 кГц. Элементная
база для блока управления, задорно-регулирующей арматуры и т.п. является стандартной для аппаратуры указанного назначения.
Устройство работает следующим образом.
Батарея топливных элементов в сборе с установленными на ней средствами для поддержания рабочих параметров анодного и катодного газов и охлаждающей жидкости соединяется с источником 23 водорода. Перед запуском батареи на рабочий режим с помощью внешнего источника питания (не показан) посредством нагревателя 6 осуществляют подъем температуры охлаждающей жидкости до рабочих значений (55-60С), открывают вентили 16, 21, 24, включают насос 15 и компрессор 20, обеспечивают электропитание блока 3 управления и блока 18 питания ультразвукового излучателя 19.
После этого батарея топливных элементов выходит на рабочий режим с выработкой номинальной электрической и тепловой мощности.
В случае избыточного увлажнения газодиффузионных слоев катодной зоны блок управления, обработав входящие сигналы от датчиков 5, 8 температуры жидкости и влажности катодного газа, одновременно выдает управляющие сигналы на открытие электромагнитных клапанов 12 и 10. Время открытия этих клапанов найдено экспериментально и находится в диапазоне нескольких секунд. При этом под действием избыточного давления осуществляется выброс микрокапель, абсорбированных в капиллярах газодиффузного слоя в катодной области мембранно-электродной сборки. Частицы влаги уносятся потоком воздуха, открывая доступ окислителя к мембранам. Мощность батареи на время открытия клапанов 10, 12 незначительно падает, а затем восстанавливается на прежнем номинальном уровне.
Использование ультразвукового излучателя 19 интенсифицирует указанный процесс, а включение электромагнитного клапана 17 перепуска охлаждающей жидкости в линию байпаса, минуя теплообменник 14, позволяет выровнять рабочую температуру батареи за счет ограничения отвода тепла внешнему потребителю.
Батарея топливных элементов с предложенной интегрированной системой обеспечения ее работы разработана и испытана в Национальной инновационной кампании «Новые энергетические проекты» в диапазоне электрических мощностей 3-6 кВт. Испытания подтвердили эффективность заложенных в ее состав проектно-конструкторских решений.