Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных (воздушных) топливных элементов

Изобретение относится к области электрохимических генераторов (ЭХГ) на основе топливных элементов (ТЭ) с щелочным электролитом и может быть использовано при производстве указанных генераторов. Согласно изобретению ЭХГ на основе водородно-кислородных (воздушных) ТЭ содержит батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода (воздуха), контур циркуляции электролита, при этом батарея ТЭ выполнена из двух блоков, каждый из которых состоит из набора модулей топливных элементов фильтпрессной конструкции с внутренними коллекторами водорода, кислорода (воздуха) и электролита, ТЭ в модулях соединены по водороду и кислороду (воздуху) параллельно, а модули в блоках соединены по водороду параллельно последовательно, система подачи водорода для обеспечения реверсивной подачи включает два водородных клапана, при этом один водородный клапан подключен к одному блоку батареи, а другой подключен к другому блоку батареи, подача водорода в блоки батареи производится в нижний коллектор водорода, а раздача водорода внутри каждого из блоков производится по -образной схеме. Техническим результатом изобретения является повышение надежности эксплуатации. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области электрохимических генераторов (ЭХГ) на основе топливных элементов (ТЭ) со щелочным электролитом и может быть использовано при производстве указанных генераторов

Предшествующий уровень техники

Известен ЭХГ на основе водородно-кислородных ТЭ, содержащий батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода, контур циркуляции электролита с насосом и датчиком температуры (см. патент США 3935028, кл. H01M 8/04, 1976).

Недостатком данного ЭХГ является сложность его эксплуатации при запуске и остановке, связанная со сливом, заправкой и разогревом электролита.

Из известных ЭХГ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЭХГ на основе водородно-кислородных (воздушных) ТЭ, содержащий батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода (воздуха), контур циркуляции электролита (см. патент РФ №2245594 C1, H01M 8/04, 2005).

Недостатком указанного ЭХГ является сложность его эксплуатации, связанная с удалением инертных примесей из водородных полостей ТЭ и удалением капельной жидкости из продувочных газов.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание надежного в эксплуатации ЭХГ, лишенного указанных недостатков.

Указанный технический результат достигается тем, что ЭХГ на основе водородно-кислородных (воздушных) ТЭ, содержащий батарею ТЭ, системы подачи и продувки водорода и кислорода (воздуха), контур циркуляции электролита, при этом батарея ТЭ выполнена из двух блоков, каждый из которых состоит из набора модулей ТЭ фильтпрессной конструкции с внутренними коллекторами водорода, кислорода (воздуха) и электролита, ТЭ в модулях соединены по водороду и кислороду (воздуху) параллельно, а модули в блоках соединены по водороду параллельно последовательно, система подачи водорода для обеспечения реверсивной подачи включает два водородных клапана, при этом один водородный клапан подключен к одному блоку батареи, а другой подключен к другому блоку батареи, подача водорода в блоки батареи производится в нижний коллектор водорода, а раздача водорода внутри каждого из блоков производится по -образной схеме.

Такое выполнение ЭХГ повышает надежность эксплуатации за счет реверсивной подачи водорода и предотвращения попадания капельной жидкости в продувочный водород за счет предложенной схемы подачи водорода в блоки.

Целесообразно, чтобы система продувки водорода включала два клапана, при этом один клапан подключен к магистрали подачи водорода к одному из блоков батареи между клапаном подачи водорода и блоком батареи, а другой клапан подключен к магистрали подачи водорода к другому блоку батареи между клапаном подачи водорода и блоком батареи.

Наличие двух клапанов подачи и двух клапанов продувки водорода повышает надежность эксплуатации ЭХГ за счет реверса водорода и поочередной продувки блоков батареи ТЭ.

Целесообразно, чтобы модули ТЭ в батарее по кислороду (воздуху) и по электролиту были соединены параллельно, при этом вход электролита выполнен в нижние электролитные коллекторы батареи, а выход электролита выполнен из верхних электролитных коллекторов батареи, подача воздуха выполнена в верхний воздушный коллектор батареи, а выход воздуха выполнен из нижнего воздушного коллектора батареи.

Параллельное сопротивление модулей ТЭ по электролиту и кислороду (воздуху) снижает гидравлические потери, подача электролита в нижний коллектор, а выход электролита из верхнего коллектора облегчает вынос пузырей из батареи, подача воздуха в верхний коллектор, а выход воздуха из нижнего коллектора облегчает вынос капельной жидкости из газовых полостей ТЭ вместе с потоком воздуха, что повышает надежность ЭХГ.

Целесообразно, чтобы батарея ТЭ была снабжена датчиком температуры, расположенным на выходе электролита из батареи ТЭ.

Наличие датчика температуры позволяет контролировать и поддерживать оптимальный температурный режим ЭХГ, что благоприятно сказывается на надежности.

Целесообразно, чтобы в каждом блоке батареи модули ТЭ были соединены электрически параллельно последовательно, а блоки батареи электрически соединены между собой последовательно.

Указанное электрическое соединение модулей и блоков позволяет заданные выходные параметры ЭХГ по току и напряжению.

Целесообразно, чтобы вход и выход электролита в батарее производился в модуль ТЭ, расположенный в средней точке электрической цепи генератора. При таком подключении электролитного контура к батареи ТЭ составляющие контура находятся при одном потенциале, что существенно снижает токи утечки по электролиту.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием работы заявленного ЭХГ.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 представлен водородный контур заявленного ЭХГ.

На фиг.2 представлен электролитный контур заявленного ЭХГ.

Заявленный ЭХГ содержит батарею ТЭ, состоящую из двух блоков 1.1 и 1.2, каждый из которых состоит из набора модулей ТЭ 2, систему подачи водорода 3 с клапанами 3.1 и 3.2, систему подачи кислорода (воздуха) (не показана), систему продувки водорода с клапанами 4.1 и 4.2, систему продувки кислорода (не показана), контур циркуляции электролита 10 с датчиком температуры 9. Датчик температуры 9 расположен на выходе электролита из батареи ТЭ, что позволяет контролировать ее температуру. Подача водорода в блоки 1.1 и 1.2 батареи производится в нижние коллекторы водорода 5.1 и 5.2. К магистралям 6.1 и 6.2 подачи водорода в блоки 1.1 и 1.2 батареи между блоками 1.1 и 1.2 и клапанами 3.1 и 3.2 подсоединены продувочные клапаны 4.1 и 4.2 соответственно. Вход контура циркуляции электролита подключен к нижним коллекторам 7.1 и 7.2 блоков 1.1 и 1.2 батареи соответственно. Выход контура подключен к верхним коллекторам 8.1 и 8.2 блоков 1.1 и 1.2 батареи соответственно. На выходе электролита размещен датчик температуры 9. Вход и выход контура циркуляции электролита подключен в середине 12 последовательной электрической цепи батареи с электрическими выводами 11.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

ЭХГ работает следующим образом. Система подачи водорода 3 периодически через клапаны 3.1 и 3.2 обеспечивает подачу водорода в ТЭ, система подачи кислорода (воздуха) (не показана), выполненная известным образом, обеспечивает подачу кислорода (воздуха), которые потребляются на реакцию и обеспечивают генерацию тока. Выделяющееся тепло отводится циркулирующим электролитом. Продувка ТЭ от инертных примесей, содержащихся в рабочих газах, осуществляется периодически посредством системы продувки водорода через клапаны 4.1 и 4.2 и системы продувки кислорода (воздуха) (не показана).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ЭХГ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».

1. Электрохимический генератор на основе водородно-кислородных (воздушных) топливных элементов, содержащий батарею топливных элементов, системы подачи и продувки водорода и кислорода (воздуха), контур циркуляции электролита, отличающийся тем, что батарея топливных элементов выполнена из двух блоков, каждый из которых состоит из набора модулей топливных элементов фильтпрессной конструкции с внутренними коллекторами водорода, кислорода (воздуха) и электролита, топливные элементы в модулях соединены по водороду и кислороду (воздуху) параллельно, а модули в блоках соединены по водороду параллельно последовательно, система подачи водорода для обеспечения реверсивной подачи включает два водородных клапана, при этом один водородный клапан подключен к одному блоку батареи, а другой подключен к другому блоку батареи, подача водорода в блоки батареи производится в нижний коллектор водорода, а раздача водорода внутри каждого из блоков производится по -образной схеме.

2. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что система продувки водорода включает два клапана, при этом один клапан подключен к магистрали подачи водорода к одному из блоков батареи между клапаном подачи водорода и блоком батареи, а другой клапан подключен к магистрали подачи водорода к другому блоку батареи между клапаном подачи водорода и блоком батареи.

3. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что модули топливных элементов в батарее по кислороду (воздуху) и по электролиту соединены параллельно, при этом вход электролита выполнен в нижние электролитные коллектора батареи, а выход электролита выполнен из верхних электролитных коллекторов батареи.

4. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что подача воздуха выполнена в верхний воздушный коллектор батареи, а выход воздуха выполнен из нижнего воздушного коллектора батареи.

5. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что батарея топливных элементов снабжена датчиком температуры, расположенным на выходе электролита из батареи топливных элементов.

6. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что в каждом блоке батареи модули топливных элементов соединены электрически параллельно последовательно, а блоки батареи электрически соединены между собой последовательно.

7. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что вход и выход электролита в батарее производится в модуль топливных элементов, расположенный в средней точке электрической цепи генератора.