RU69322U1 - Батарея топливных элементов для автономного источника питания - Google Patents
Батарея топливных элементов для автономного источника питания Download PDFInfo
- Publication number
- RU69322U1 RU69322U1 RU2007129081/22U RU2007129081U RU69322U1 RU 69322 U1 RU69322 U1 RU 69322U1 RU 2007129081/22 U RU2007129081/22 U RU 2007129081/22U RU 2007129081 U RU2007129081 U RU 2007129081U RU 69322 U1 RU69322 U1 RU 69322U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- membrane
- electrode assembly
- coolant
- cathode
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000035485 pulse pressure Effects 0.000 claims description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- -1 thermostat Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую и может найти применение при создании автономных источников питания в широком диапазоне мощностей. 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 водяным охлаждением мембранно-электродной сборки. 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, 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, 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. 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.1 ил.
Description
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.
Claims (2)
1. 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, отличающаяся тем, что 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.
2. Батарея топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что на боковой поверхности мембранно-электродной сборки батареи закреплен излучатель ультразвукового вибратора, управляющий вход блока питания которого соединен с четвертым выходом указанного блока управления, а канал отвода охлаждающей жидкости из батареи соединен с входом внешнего теплообменника через электромагнитный клапан перепуска охлаждающей жидкости в линию байпаса, причем управляющий вход данного клапана соединен с пятым выходом упомянутого блока управления.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007129081/22U RU69322U1 (ru) | 2007-07-30 | 2007-07-30 | Батарея топливных элементов для автономного источника питания |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007129081/22U RU69322U1 (ru) | 2007-07-30 | 2007-07-30 | Батарея топливных элементов для автономного источника питания |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU69322U1 true RU69322U1 (ru) | 2007-12-10 |
Family
ID=38904517
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007129081/22U RU69322U1 (ru) | 2007-07-30 | 2007-07-30 | Батарея топливных элементов для автономного источника питания |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU69322U1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496185C2 (ru) * | 2008-12-16 | 2013-10-20 | Импэкт Клин Пауэр Текнолоджи Спулка Акцыйна | Термостабилизированный модуль из электрических батарей |
| RU2534021C2 (ru) * | 2009-05-22 | 2014-11-27 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов и способ его эксплуатации |
| WO2016200285A1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-12-15 | Ionescu Iuliu | Enhanced power electric battery system |
-
2007
- 2007-07-30 RU RU2007129081/22U patent/RU69322U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496185C2 (ru) * | 2008-12-16 | 2013-10-20 | Импэкт Клин Пауэр Текнолоджи Спулка Акцыйна | Термостабилизированный модуль из электрических батарей |
| RU2534021C2 (ru) * | 2009-05-22 | 2014-11-27 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов и способ его эксплуатации |
| WO2016200285A1 (en) * | 2015-02-10 | 2016-12-15 | Ionescu Iuliu | Enhanced power electric battery system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111211338B (zh) | 一种高压质子交换膜燃料电池动力系统 | |
| JP3722019B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4072707B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法 | |
| JP4697380B2 (ja) | 燃料電池装置及び燃料電池の燃料供給方法 | |
| JP4686814B2 (ja) | 燃料電池装置 | |
| JP2020021630A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2008097832A (ja) | 燃料電池の内部乾燥防止装置 | |
| JP5435970B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2017152113A (ja) | 燃料電池システムの低温起動方法 | |
| RU69322U1 (ru) | Батарея топливных элементов для автономного источника питания | |
| CN210956853U (zh) | 一种带压力自平衡功能的燃料电池膜增湿器装置 | |
| JP7567825B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2010129482A (ja) | 燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック及び燃料電池システム | |
| JP4672120B2 (ja) | 燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法。 | |
| CN118299625B (zh) | 一种氢能备电系统 | |
| JP6307536B2 (ja) | 燃料電池システムの低温起動方法 | |
| CN220155570U (zh) | 一种燃料电池系统 | |
| JP3443221B2 (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
| JP2006066112A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2010027217A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2000357527A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2003086214A (ja) | 燃料電池装置 | |
| JP4542911B2 (ja) | 燃料電池システムの掃気処理装置及び掃気処理方法 | |
| JPH0917439A (ja) | 固体高分子形燃料電池 | |
| JP3871182B2 (ja) | 燃料電池加湿装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC11 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20120712 |
|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20130731 |