БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
FUEL-CELL BATTERY

Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах, и может найти применение при создании батареи топливных элементов для автономных источников питания мощностью до 10 кВт и выше.
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 известного устройства 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-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, токовыводящие электроды и средства для герметизации и соединения указанных элементов (см. заявку на изобретение РФ №2004104350, МПК 7 H01M 8\02, дата публикации 27.03.2005 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.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции прямоугольных в плане мембранно-электродных и биполярных сборок, снабженных каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, выполненных в виде элементов меандра, а также сравнительно сложная система средств для герметизации и соединения указанных элементов.
Решаемой задачей является создание сравнительно простой в технологическом отношении батареи топливных элементов автономного источника питания для питания аппаратуры средней и малой мощности. Дополнительной к указанной является задача повышения эксплуатационных характеристик и уменьшения габаритов источника питания при работе батареи топливных элементов на водороде и воздухе.
Указанная задача решается тем, что в батарее топливных элементов, содержащей мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, токовыводящие электроды и средства для герметизации и соединения указанных элементов, согласно изобретению, батарея топливных элементов выполнена в виде цилиндра, охваченного диэлектрическим корпусом в форме трубы, мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты батареи имеют в плане форму круга, каждая из биполярных сборок состоит из примыкающих друг к другу катодной, средней и анодной металлических пластин, указанные катодная и анодная пластины снабжены каналами для подвода катодного газа к катодной и анодного газа к анодной поверхности мембранно-электродных сборок, а средняя пластина снабжена каналами для протока охлаждающей жидкости между катодной и анодной пластинами, каналы катодной пластины имеют в плане форму спиралей, каналы анодной пластины - форму полуокружностей и каналы средней пластины - форму дугообразных прорезей, причем коллектором входа катодного газа является центральный канал, пронизывающий мембранно-электродные и биполярные сборки и одну из торцевых плит, коллектор выхода катодного газа выполнен в виде щелевидного канала, размещенного вдоль образующей батареи внутри указанного диэлектрического корпуса с выходным отверстием в торцевой плите, коллекторы входа и выхода анодного газа и охлаждающей жидкости также выполнены в виде щелевидных каналов, размещенных оппозитно вдоль образующих батареи внутри указанного диэлектрического корпуса с входными и выходными отверстиями в одной или обеих торцевых плитах.
Кроме того, указанные каналы на поверхности анодных и катодных металлических пластин биполярных сборок могут быть выполнены штамповкой.
Кроме того, торцевые плиты батареи могут быть электрически соединены с токовыводящими электродами, а диэлектрический корпус может быть снабжен элементами восприятия радиальных и осевых усилий от избыточного давления газа.
Использование в предложенном устройстве цилиндрической батареи топливных элементов, дисковидных мембранно-электродных и биполярных сборок предложенной конструкции с торцевыми плитами, токовыводящими электродами и средствами для герметизации и соединения указанных элементов, которые размещены в диэлектрическом корпусе, позволяет в значительной степени упростить технологию изготовления батареи при сохранении основных технических параметров.
Выполнение каналов для подвода катодного и анодного газов штамповкой в катодной и анодной металлических пластинах биполярных сборок в форме спиралей, коаксиальных полуокружностей и каналов для подвода охлаждающей жидкости в средней металлической пластине в форме дугообразных прорезей, позволяет в значительной степени увеличить надежность и улучшить весогабаритные характеристики многосекционной батареи топливных элементов.
Указанное выполнение батареи топливных элементов способствует также повышению ее эксплуатационных характеристик. Кроме того, в предложенной батарее создаются условия для стабилизации электрохимических режимов работы мембранно-электродных сборок за счет более равномерного поступления анодного и катодного газов к активной поверхности протон-проводящих мембран.
На фиг.1 представлен продольный разрез батареи топливных элементов, на фиг.2(а, б, в) показана форма каналов на катодной, анодной и средней металлических пластинах биполярной сборки.
Батарея топливных элементов содержит мембранно-электродные сборки 1, показанные условно в виде сплошной жирной линии. Указанные сборки 1 выполнены на основе протон проводящих мембран, имеющих толщину 25-150 мкм. По обе стороны мембраны каждой из сборок 1 имеются скрепленные с ней газодиффузионные слои, выполненные, например, из нетканого или тканого углеграфитового материала толщиной в десятые доли мм. Таким образом, каждая из мембранно-электродных сборок 1 выполнена за одно целое в виде многослойной структуры.
Последовательно с мембранно-электродными сборками 1 установлены трехслойные биполярные сборки, каждая из которых может быть выполнена как один сварной узел. В состав каждой биполярной сборки входят анодная и катодная металлические пластины, обозначенные позициями 2, 3, имеющие каналы для подвода и отвода анодного, катодного газов.
Между указанными пластинами 2, 3 установлена средняя металлическая пластина 4 с каналами для протока охлаждающей жидкости. Указанные пластины, собранные в единый узел, герметизируются между собой, например, с помощью герметика или сваркой, соответственно, по внешнему и внутреннему контуру. В таком случае сварной шов отсутствует лишь в зонах входа и выхода воды в щелевые коллекторы подвода и отвода воды.
Устройство также содержит торцевые плиты 5, токовыводящие электроды 6 и средства для герметизации и соединения указанных элементов. Батарея топливных элементов выполнена в виде цилиндра, охваченного диэлектрическим корпусом 7 в форме трубы, имеющей продольный разрез для ее стяжки посредством намотки на ее внешнюю поверхность слоя 8 из прочных нитей. Диэлектрический корпус 7 также снабжен дополнительными кольцевыми фланцами 9, скрепленными с кожухом 10 и стягивающими фланцами 11 для восприятия осевых усилий от избыточного давления газа в рабочем объеме батареи.
Мембранно-электродные сборки 1, биполярные сборки и торцевые плиты 4 батареи имеют в плане форму круга. Каналы для подвода катодного газа к катодной поверхности каждой из мембранно-электродных сборок 1 расположены вдоль примыкающей поверхности катодной металлической пластины 3 биполярной сборки и имеют в плане форму спиралей (см. фиг.2а). Каналы для подвода анодного газа к анодной поверхности каждой из мембранно-электродных сборок 1 расположены вдоль примыкающей поверхности анодной металлической пластины 2 биполярной сборки и имеют в плане форму полуокружностей (см. фиг.2б).
Каналы для протока охлаждающей жидкости расположены в средней металлической пластине 4 каждой из биполярных сборок и имеют форму дугообразных прорезей (см. фиг.2в). Металлические пластины 2, 3, 4 биполярной сборки и торцевые плиты 5 могут быть выполнены из титана или нержавеющей стали, а электроды 6 - из меди.
Коллектором входа катодного газа является центральный канал 12, пронизывающий указанные мембранно-электродные и биполярные сборки и одну из торцевых плит 5. Коллектор выхода катодного газа выполнен в виде щелевидного канала 13, размещенного вдоль образующей батареи внутри указанного диэлектрического корпуса 7. В торцевой плите 5 имеются входное и выходное отверстия 14, 15.
Коллекторы входа и выхода анодного газа и охлаждающей жидкости также выполнены в виде щелевидных каналов 16, размещенных оппозитно вдоль образующих батареи внутри указанного диэлектрического корпуса 7, которые также снабжены входными и выходными отверстиями 17, 18, 19, 20 в одной или обеих торцевых плитах 5.
Указанные каналы на поверхности анодных и катодных металлических пластин 2, 3 биполярных сборок могут быть выполнены штамповкой, а торцевые плиты 5 батареи могут быть электрически соединены с токовыводящими электродами 6.
Герметизация мембранно-электродных сборок 1 и пластин 2, 3, 4 биполярных сборок между собой и относительно друг друга в направлении оси батареи осуществляется, преимущественно, с помощью тонких резиновых прокладок в периферийной и осевой части указанных сборок. Герметизация щелевидных каналов 13, 16 и патрубков в отверстиях 14, 15, 17, 18, 10, 20 осуществляется, как правило, с помощью герметика или клея. Батарея топливных элементов, благодаря указанному выполнению биполярных и мембранно-электродных сборок, а также интегрированных в ней средств для их герметизации и соединения, может быть выполнена на выходную электрическую мощность до 10 кВт и выше. В батарее используется водород и воздух давлением около 0,2 МПа и химически очищенная вода.
Устройство функционирует следующим образом.
До сборки батареи топливных элементов осуществляют сборку и герметизацию мембранно-электродных сборок 1 и биполярных сборок из указанных металлических пластин 2, 3, 4. Затем с помощью соответствующей оснастки (не показана) собирают и герметизируют в общий пакет в нужном порядке следования указанные сборки, торцевые плиты 5, токовыводящие электроды 6 и диэлектрический корпус 7. Осуществляют стяжку корпуса 7 слоем прочных нитей 8, формируя герметичные щелевидные каналы 13, 16. С помощью кольцевых фланцев 9, кожухов 10 и стягивающих фланцев 11 обеспечивают окончательную сборку батареи. Отверстия 14, 15, 17, 18, 10, 20 оснащают выводными патрубками для подвода и отвода воды, водорода и воздуха от соответствующих систем. В соответствии с указанной конфигурацией металлических пластин 2, 3 подвод анодного и катодного газов к мембранно-электродным сборкам 1 осуществляется по внешним сторонам упомянутых отштампованных в пластинах 2, 3 каналов.
Одновременно охлаждающая вода проходит от входного к выходному щелевидному коллектору через дугообразные прорези в пластине 4, периодически поступая в указанные отштампованные каналы с внутренней стороны металлических пластин 2, 3 каждой биполярной сборки, обеспечивая тем самым их охлаждение.
Перед запуском батареи на рабочий режим, с помощью внешнего нагревателя (не показан), осуществляют подъем температуры охлаждающей воды до рабочих значений (55-60°С). Подключают системы подачи водорода и воздуха к батарее топливных элементов при указанных параметрах. После этого батарея топливных элементов выходит сначала на режим холостого хода, а при подключении потребителя - на рабочий режим с выработкой номинальной электрической и тепловой мощности.
Предложенная батарея топливных элементов разработана в Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» для использования в автономных источниках питания в диапазоне электрических мощностей от единиц до десятков кВт. Расчеты режимов работы предложенной батареи топливных элементов и предварительные испытания устройства подтвердили эффективность заложенных в ее состав проектно-конструкторских решений.