СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
SYSTEM OF FUEL CELLS

Область, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к энергетическим установкам на основе топливных элементов, преобразующих энергию топлива в полезную тепловую энергию и электроэнергию с помощью батарей топливных элементов, в которых потоки топлива термически взаимодействуют с потоками теплоносителя в охлаждающих пластинах таким образом, что в некоторой зоне каждого топливного элемента происходит эффективная конденсация электролита, но при этом температура электрохимических реакций поддерживается достаточно высокой, чтобы препятствовать отравлению катализатора окисью углерода. Электролитом может служить фосфорная кислота (в батареях топливных элементов на фосфорной кислоте) или свободная кислота (в батареях, состоящих из высокотемпературных полимерно-электролитных мембранных топливных элементов; далее - ВТПЭМ-элементов).
Уровень техники
В известных системах топливных элементов, использующих фосфорную кислоту в качестве электролита, применяется водный теплоноситель, а путь циркуляции теплоносителя по змеевикам пластин охладителя, размещаемых между группами топливных элементов, является весьма простым. В пластины охладителя (далее - "охлаждающие пластины") поступает жидкая вода, а удаляется из охлаждающих пластин двухфазная смесь вода/пар. Из всего отводимого тепла меньшая часть отводится за счет увеличения теплосодержания воды по мере приближения ее температуры к температуре кипения, а большая часть является скрытой теплотой парообразования. В патенте U.S. 3,969,145 описана подобная система охлаждения.
Срок эксплуатации любого топливного элемента, использующего фосфорную кислоту, преимущественно определяется скоростью, с которой фосфорная кислота испаряется, смешиваясь с газами-реагентами, и не конденсируется снова в виде жидкости, а выходит вместе с продуктами реакций из топливного элемента. Если вблизи выхода, служащего для выпуска газообразных реагентов из топливных элементов, существует зона, в которой кислота конденсируется, и не протекают электрохимические реакции (далее такая зона называется "химически инертной"), то снижаются потери кислоты, обусловленные ее испарением, и, следовательно, увеличивается срок эксплуатации батареи топливных элементов. Такие зоны конденсации описаны в патентах U.S. 4,345,008 и U.S. 4,414,291, а также в публикации PCTWO 00/36680. Температура в зонах конденсации должна быть ниже 140°С (280°F), если требуется достаточно полная конденсация электролита, необходимая для продления срока эксплуатации батареи топливных элементов, по крайней мере, до десяти лет, а это, в свою очередь, требует, чтобы температура на входе охлаждающей пластины была меньше значения 140°С (280°F), свойственного более ранним системам. Не менее важная проблема для батарей топливных элементов, использующих фосфорную кислоту, состоит в том, что сорта топлива, получаемые переработкой различных видов углеродосодержащего сырья в водород с помощью систем переработки, - например, реакторов парового риформинга, - содержат от 0,3% до 1,0% окиси углерода (СО), которая отравляет анодный катализатор и препятствует окислению водорода на аноде. Интенсивность отравления зависит от концентрации СО и температуры топливного элемента. Чтобы обеспечить надежные эксплуатационные показатели топливного элемента при указанных выше вероятных концентрациях СО, температура в электрохимически активной (далее - "химически активной") зоне каждого топливного элемента должна поддерживаться более высокой, чем 150°С (300°F). Таким образом, температура, необходимая для эффективной конденсации, ниже температуры, нужной для устойчивости катализатора к воздействию СО.
Раскрытие изобретения
Изобретение имеет следующие аспекты: обеспечение высокой эффективности конденсации электролита в батареях топливных элементов, работающих на полученном путем переработки топливе, содержащем окись углерода, избежав при этом ухудшения эксплуатационных показателей топливных элементов в результате отравления катализатора окисью углерода; снижение потерь электролита в батареях топливных элементов на фосфорнокислом электролите или в батареях ВТПЭМ-элементов; увеличение срока эксплуатации батарей топливных элементов на фосфорнокислом электролите или батарей ВТПЭМ-элементов и формирование в батареях топливных элементов на фосфорнокислом электролите или в батареях ВТПЭМ-элементов наличия зон, имеющих достаточно низкую температуру, требуемую для конденсации испарившегося и смешавшегося с газами-реагентами электролита, но вместе с тем, и зон более высокой температуры, которая препятствовала бы отравлению анодов батареи топливных элементов окисью углерода.
В соответствии с данным изобретением, батарея топливных элементов, как она выглядит в проекции, имеет зону, в которой (во всех элементах батареи) не происходят реакции (химически инертную зону), температура которой поддерживается достаточно низкой для конденсации, в основном, всех жидких компонент, которые испаряются и смешиваются с потоками газообразных реагентов, что позволяет снова использовать указанные жидкие компоненты в топливных элементах. Согласно одной из форм изобретения, электролитом является фосфорная кислота, которая конденсируется в химически инертной зоне, но изобретение может применяться также для обеспечения конденсации электролита в ВТПЭМ-элементах.
Кроме того, согласно изобретению, входы для теплоносителя в проекции примыкают к химически инертным зонам топливных элементов, и низкая температура в этих зонах способствует конденсации электролита, испарившегося и смешавшегося с газами-реагентами топливных элементов. Теплоноситель во второй зоне, в проекции, примыкающей к химически инертной зоне, движется в основном по направлению к химически инертной зоне, что обеспечивает поддержание на границе химически активной зоны, примыкающей к химически инертной зоне, температуры, достаточно высокой, чтобы препятствовать отравлению катализатора окисью углерода. В одном воплощении теплоноситель далее движется в основном в направлении от указанной химически инертной зоны. В одной из своих форм изобретение может быть реализовано в топливном элементе, поле потока топлива в котором состоит из трех последовательно проходимых потоком участков; первый участок поля потока топлива, в целом, в проекции перекрывает третью зону, являющейся удаленной от химически инертной зоны; второй участок поля потока топлива в проекции находится во второй зоне, примыкающей к химически инертной зоне, и третий участок в проекции находится в пределах химически инертной зоны. При такой форме реализации изобретения газообразный реагент-окислитель поступает сначала в третью зону и движется через вторую зону и химически инертную зону к выходу для газообразного реагента-окислителя; этот выход является смежным в проекции с входом для теплоносителя. Другие воплощения изобретения будут описаны далее.
Хотя изобретения описывается - и оказывается полезным - прежде всего для топливных элементов на фосфорной кислоте, оно применимо также к другим топливным элементам, содержащим свободные электролиты, и позволяет осуществлять конденсацию других электролитов из газов-реагентов, выходящих из топливных элементов.
Изобретение может применяться к системам с однофазным теплоносителем, таким как вода, или с двухфазным теплоносителем, таким как смесь воды и пара.
Другие аспекты, особенности и преимущества данного изобретения станут более очевидными в свете следующего далее подробного описания примерных воплощений изобретения, сопровождаемых чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан упрощенный, схематичный вид в проекции поля потоков воздуха и топлива в топливных элементах, соответствующих изобретению; показана химически инертная зона.
На фиг.2 показан вид в проекции, аналогичный виду на фиг.1, на котором, кроме того, показаны каналы циркуляции теплоносителя.
Фиг.3 является вариантом вида в проекции, показанного на фиг.2.
На фиг.4 показана упрощенная, схематичная принципиальная картина потоков теплоносителя, наложенная на схему состоящего из двух участков потока воздуха.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана батарея 9 топливных элементов, соответствующая изобретению, включающая пакет 10 топливных элементов, имеющая три зоны 11-13. Каждая из зон 11-13 в основном в проекции перекрывает один из трех участков потока топлива, проходящего по каналам для топлива. Топливо поступает в топливные элементы через входы 17 и движется слева направо (как показано на фиг.1) через зоны поля потока топлива, которые в проекции соответствуют третьей зоне 13. Далее топливо проходит через поворотный коллектор 19 и затем движется в направлении справа налево (как показано на фиг.1) через зоны поля потока топлива, которые соответствуют второй зоне 12, ко второму поворотному коллектору 20, и далее движется в направлении слева направо (как показано на фиг.1) через те зоны поля потока, которые соответствуют первой зоне 11 (то есть химически инертной зоне), и выходит из топливных элементов через выходы 22 для топлива.
Первая зона 11 каждого топливного элемента является химически инертной, так как та часть топливного элемента, которая соответствует первой зоне 11, не имеет катодного катализатора, а поэтому реакции здесь не протекают.
В описываемом здесь воплощении газообразный реагент-окислитель, например воздух, поступает в каждый топливный элемент через вход 25 для воздуха и далее движется в направлении сверху вниз (как показано на фиг.1) через зоны потока газообразного реагента-окислителя, соответствующие в проекции третьей зоне 13, второй зоне 12 и первой зоне 11, и отсюда выходит через выходной коллектор 26 для воздуха.
На фиг.2 конфигурация батареи 9 топливных элементов показана в проекции, как и на фиг.1, но здесь, кроме того, показана схема каналов циркуляции теплоносителя в охлаждающих пластинах, размещаемых обычно между состоящими из нескольких топливных элементов группами, на которые оказывается разбит весь пакет топливных элементов батареи. Например, в конструкцию батареи топливных элементов общей мощностью 200 кВт могут быть включены 35 охлаждающих пластин, размещенных между группами по восемь топливных элементов, на которые разбит весь пакет, состоящий из 272 топливных элементов. В этом воплощении теплоноситель прогоняется через охлаждающие пластины с помощью внешних устройств, включающих входной распределитель 29 для теплоносителя и выходной коллектор 30 для теплоносителя.
От входного распределителя 29 теплоноситель в каждом топливном элементе движется налево и затем направо через отрезки 30, 31 канала циркуляции теплоносителя, соответствующие в проекции первой (химически инертной) зоне 11. Таким образом, теплоноситель, имеющий самую низкую температуру, протекает через отрезки канала, соответствующие в проекции химически инертным зонам элементов, благодаря чему происходит конденсация, в основном, всего электролита, который испарился и смешался с газами-реагентами, до того, как газы-реагенты будут удалены из топливного элемента; это достигается без снижения температуры реакций, которое могло бы вызвать отравление катализатора окисью углерода.
Затем теплоноситель протекает через отрезок 33 канала циркуляции теплоносителя, в проекции смежный с первой зоной 11, со второй зоной 12 и с дальней стороной третьей зоны 13. Далее теплоноситель поступает через отрезок 34 канала циркуляции теплоносителя, в проекции смежный с третьей зоной 13 и со второй зоной 12.
Батарея топливных элементов определяется как группа топливных элементов, находящихся между двумя охлаждающими пластинами. Находящиеся в середине батареи топливные элементы наиболее сильно нагреты, а топливные элементы, соседние с охлаждающими пластинами, являются самыми холодными. Потери кислоты пропорциональны локальной температуре на выходе каждого участка потока топлива или воздуха. Благодаря дополнительным отрезкам 33-34 канала снижается локальная температура на выходе первого участка потока топлива и, следовательно, потери кислоты на первом участке потока топлива оказываются меньшими по сравнению с потерями кислоты для охлаждающей пластины, в которой нет дополнительных отрезков 33-34. Потоки топливного реагента из нескольких топливных элементов одной батареи хорошо перемешиваются в поворотном коллекторе 19 для топлива. Это приводит к тому, что топливные элементы батареи снабжаются кислотой с выравниванием. Более нагретые топливные элементы получают меньшее количество кислоты, чем они потеряли, а менее нагретые топливные элементы получают большее количество кислоты, чем они потеряли.
Теплоноситель далее движется через отрезки 37-41 змеевика в направлении, которое совпадает с направлением газообразного реагента-окислителя, сверху вниз, что видно на фиг.2; эти отрезки соответствуют в проекции второй зоне 12. В результате, в химически активной зоне (примыкающей к химически инертной зоне конденсации) температура оказывается превосходящей 150°С (300°F), то есть такой, при которой существенно уменьшается отравление анода окисью углерода. Иначе говоря, температура части потока, соответствующей в проекции первой (химически инертной) зоне 11, в которой происходит конденсация, и температура части потока, соответствующей в проекции второй зоне 12, таковы, что возникает значительный температурный градиент на границе между зонами 11 и 12, а поэтому температура химически активной зоны топливного элемента оказывается намного большей, чем 150°С (300°F), благодаря чему уменьшается отравление катализатора окисью углерода, но в то же время в химически инертной зоне при температурах ниже 140°С (280°F) происходит конденсация.
Теплоноситель далее протекает через отрезки 45-50 змеевика канала циркуляции теплоносителя в направлении, в целом, противоположном направлению потока окислителя в зоне, соответствующей в проекции третьей зоне 13 топливного элемента, и движется к выходному коллектору 30 для теплоносителя.
Если желательно, каналы циркуляции теплоносителя могут быть сконфигурированы так, чтобы отрезок 33 непосредственно соединялся с отрезком 50, как показано на фиг.3, и движение теплоносителя в третьей зоне 13 было направлено к первой зоне 11. Выходной коллектор 30 для теплоносителя в этом случае может находиться слева от входа 25 для воздуха. С другой стороны, если желательно, изобретение может быть реализовано так, что отрезок 33 будет по-прежнему примыкать ко второй зоне 12, и из него теплоноситель будет поступать непосредственно в отрезок 37, благодаря чему не будут нужны отрезок 34 и дополнительный отрезок 33 в третьей зоне.
Благодаря тому, что теплоноситель в охлаждающей пластине вынужден протекать во второй зоне в направлении от отрезка 37 к отрезку 41 канала, компенсируется тенденция потока, проходящего через отрезки 30, 31 в первой зоне, к охлаждению химически активной зоны, в частности охлаждению части второй зоны 12, смежной с первой зоной 11. Такое решение способствует созданию резкого температурного градиента между теми зонами топливных элементов, которые соответствуют в проекции отрезку 41, и теми зонами, которые соответствуют отрезку 31, благодаря чему обеспечивается достаточно высокая температура, позволяющая избежать сильного отравления окисью углерода анодов, соответствующих в проекции вторым зонам топливных элементов, но в то же время обеспечивается достаточно низкая температура, нужная для конденсации большей части электролита в зонах, соответствующих в проекции первым зонам 11 топливных элементов.
В системе можно сочетать поток воздуха, состоящий из двух участков, с потоком топлива, состоящим из нескольких участков, как схематично показано на фиг.4, где:
FI - вход для топлива,
FT1 - первый поворот потока топлива,
FT2 - второй поворот потока топлива,
AI - вход для воздуха,
AT - поворот потока воздуха,
АЕ - выход для воздуха,
CI - вход для теплоносителя и
СЕ - выход для теплоносителя.
Потоки топлива, состоящие более чем из трех участков, могут быть подходящим образом сконфигурированы, коль скоро теплоноситель поступает в систему в той зоне, которая соответствует в проекции последнему участку потока топлива, протекает, в целом, в направлении навстречу потоку реагента-окислителя на последнем участке потока топлива и проходит через предпоследний участок потока топлива (смежный с последним участком потока топлива) в том же общем направлении, что и поток окислителя на предпоследнем участке потока топлива.
В данный момент на этапе становления находится технология, связанная с высокотемпературными полимерными электролитическими мембранами. В патенте US 2004/0028976A1 описывается мембрана из модифицированного полибензимидазола (PBI), а в патенте US 2004/0127588 А1 - полимерная мембрана на основе полиазолов. В топливные элементы на основе таких высокотемпературных полимерных электролитических мембран могут быть дополнительно введены фосфорная кислота или полифосфорная кислота, свободные кислоты с целью улучшения электрохимических эксплуатационных характеристик или продления срока эксплуатации топливных элементов. Изобретение может применяться для обеспечения конденсации как фосфорной кислоты, так и указанных электролитов.
Данное изобретение может применяться для создания систем с однофазным теплоносителем, таким как вода, или с двухфазным теплоносителем, таким как смесь воды и пара.