Терморегулирование в электрохимических топливных элементах
Изобретение относится к топливным элементам типа, в котором топливо и окислитель объединены в мембранно-электродном блоке, где вырабатываются электроэнергия и продукт реакции, более конкретно водяной пар. Согласно изобретению в топливно-элементном агрегате побочный продукт в виде воды и водяного пара подается в контур водяного охлаждения и оттуда в термоаккумулирующий резервуар, откуда он может быть возвращен в батарею топливных элементов в виде прямой подачи на мембранно-электродные блоки с целью их использования для предварительного подогрева топлива/окислителя или для прямого ввода в мембранно-электродный блок. Техническим результатом является чистота воды в контуре охлаждения. Термоаккумулирующий резервуар предусмотрен для разобщения электрической и тепловой нагрузок батареи топливных элементов в объединенной теплоэлектрической установке. При низких внешних электрических нагрузках батарея топливных элементов и контур охлаждения могут быть использованы для высокопроизводительной выработки горячей воды. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к топливным элементам типа, в котором топливо и окислитель объединены в мембранно-электродном блоке, где вырабатываются электроэнергия и продукт реакции, более конкретно водяной пар.
Уровень техники
Типичная компоновка традиционного топливного элемента показана на фиг.1, где в целях ясности разные слои изображены в разобранном виде. Ионопереносящая мембрана из твердого полимера 11 расположена посередине между анодом 12 и катодом 13. Как правило, как анод 12, так и катод 13 выполнены из электропроводящего пористого материала типа пористого углерода, с которым связаны маленькие частицы катализатора из платины и/или другого драгоценного металла. Анод 12 и катод 13 чаще связаны непосредственно с соответствующими обращенными к ним поверхностями мембраны 11. Такую комбинацию обычно называют мембранно-электродным блоком (МЕА-блок).
Полимерная мембрана и пористые электродные слои расположены между анодной пластиной жидкостно-поточного поля 14 и катодной пластиной жидкостно-поточного поля 15, которые подают соответственно топливо и окислитель к МЕА. Пластины жидкостно-поточного поля 14, 15 выполнены из электропроводящего непористого материала, с помощью которого может осуществляться электрический контакт соответственно с анодным электродом 12 или катодным электродом 13. В то же время пластины жидкостно-поточного поля должны облегчать подачу и/или отвод жидкого топлива, окислителя и/или продукта реакции к или от пористых электродов.
Это традиционно осуществляется путем создания проходов для жидких потоков на поверхности пластин поля течения жидкости в виде канавок или каналов на поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13. Водород или какие-либо другие жидкие топлива или топливные смеси направляются к катодным каналам, а продукт реакции - вода и/или водяной пар выводится из катодных каналов.
Обычно, как это видно на фиг.2, большое число топливных элементов 10 расположены в виде батареи 20, в результате чего анод 14 одного из элементов расположен рядом и электрически соединен с катодом 15 следующего элемента (предпочтительно с использованием изображенной общей пластины жидкостно-поточного поля 21), причем напряжение каждого элемента последовательно добавляется, в результате чего создается требуемое напряжение источника питания.
Существует значительный интерес к топливным элементам как эффективным средствам обеспечения локальной подачи электроэнергии для бытовых помещений и помещений легкой промышленности, в особенности в удаленных районах, где строительство крупных электросетей является дорогостоящим.
Одним из аспектов электрохимического топливного элемента является то, что в процессе выработки электроэнергии внутри топливного элемента генерируется некоторое количество тепла. Это тепло традиционно рассматривается как ненужный побочный продукт, который отводится вместе с водяным паром и попросту теряется.
Определенное количество тепла в МЕА и пластинах жидкостно-поточного поля является, в действительности, желательным для получения оптимальных рабочих условий, но это тепло должно строго регулироваться, особенно в случае высоких электрических нагрузок на топливном элементе. Регулирование тепла в существующих топливных элементах осуществляется с помощью одного или обоих из двух разных механизмов охлаждения.
Согласно первому механизму используется жидкофазное охлаждение, в котором на специальные охлаждающие пластины, расположенные между выборочными жидкостно-поточными пластинами в батарее 20, подается и отводится от них вода. Как правило, охладительная пластина помещается внутри каждой четвертой или пятой пары пластин анод/катодного поля. Вода, отводящаяся от охлаждающих пластин, пропускается через теплообменник и возвращается на охлаждающие пластины.
Согласно второму механизму для отвода тепла от активных жидко-поточных пластин используется парофазное охлаждение, состоящее в подаче на МЕА 11 регулируемых количеств воды, например, непосредственно на поверхности электродов или в каналы 16 пластин жидкостно-поточного поля 14, 15, где вода испаряется и отделяется от отводимого с катода продукта. Этот способ обладает тем преимуществом, что в нем вода подается не только для поддержания необходимого количества мембранной воды, но эта вода действует также как охладитель топливного элемента за счет испарения и отвода скрытой теплоты испарения.
Однако, поскольку вода подается в работающий МЕА топливного элемента, важно, чтобы используемая вода обладала такой чистотой, которая предотвратила бы ухудшение качества и производительности мембраны 11. В некоторых отдаленных районах трудно гарантировать постоянство обеспечения водой такого качества, в результате чего качество воды может оказаться вне контроля со стороны оператора топливного элемента.
Обычно системы охлаждения, предназначенные для охлаждения пластин и отделения паровой фазы от катодного продукта, не являются совместимыми из-за различия температур на входе и выходе, в результате чего, как правило, возникает необходимость в отдельных теплообменных контурах. Это приводит к усложнению, увеличению себестоимости и размеров всей топливно-элементной энергетической системы.
Раскрытие изобретения
Одной их целей настоящего изобретения является предложение эффективной и/или упрощенной системы терморегулирования в топливных элементах, обеспечивающей снижение при выработке электроэнергии выброса теплового побочного продукта.
Другой целью настоящего изобретения является создание контура охлаждения для батареи топливных элементов, который бы позволил легко поддерживать чистоту поступающей в МЕА охлаждающей воды.
Еще одной целью изобретения является создание охладительно-терморегуляционной системы, которая может легко решать проблемы теплоотвода в топливном элементе высокой мощности с использованием лишь одного теплообменного контура в условиях разных электрических нагрузок.
Некоторые или все цели изобретения осуществимы с помощью разных описанных ниже воплощений изобретения.
Согласно одному из аспектов настоящее изобретение предлагает топливно-элементный агрегат, включающий:
батарею топливных элементов, имеющую, по меньшей мере, одно вводное отверстие для ввода охлаждающей воды и, по меньшей мере, одно выводное отверстие для отвода воды и/или водяного пара, где как вводное отверстие, так и выводное отверстие сообщены с по меньшей мере одним мембранно-электродным блоком топливной батареи;
термоаккумулирующий резервуар с проходящим через него теплообменным контуром, имеющим ввод и вывод, соединенные, соответственно, с по меньшей мере одним выводным отверстием и с по меньшей мере одним входным отверстием батареи топливных элементов, в результате чего образован охлаждающий контур для батареи топливных элементов.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предлагает способ эксплуатации топливно-элементного агрегата, включающий стадии:
подачи топлива и окислителя в батарею топливных элементов, в результате чего генерируется электрический ток и образуется побочный продукт в виде воды и/или водяного пара;
подачи воды/водяного пара в теплообменный трубопровод термоаккумулирующего резервуара и отвода оттуда тепловой энергии;
приема воды и конденсата пара из теплообменного трубопровода и возвращения их в мембранно-электродный блок батареи топливных элементов; и
сохранения тепловой энергии в термоаккумулирующем резервуаре,
причем батарея топливных элементов и теплообменный трубопровод образуют контур водяного охлаждения.
Краткое описание чертежей
Воплощения настоящего изобретения далее описываются с помощью примера и со ссылками, на прилагаемые чертежи, из которых:
фиг.1 схематически демонстрирует поперечный разрез через часть традиционного топливного элемента;
фиг.2 демонстрирует схематически поперечный разрез через часть традиционной батареи топливных элементов;
фиг.3 представляет принципиальную схему системы терморегулирования для одновременного отвода тепловой и электрической энергии из электрохимического топливного элемента;
фиг.4 представляет принципиальную схему варианта термоаккумулирующего резервуара с погруженным нагревателем для применения в системе фиг.3;
фиг. 5 представляет принципиальную схему термоаккумулирующего резервуара совместно с дополнительным теплообменником для применения в системе фиг.3; и
фиг. 6 представляет принципиальную схему термоаккумулирующего резервуара совместно с механизмом отвода избыточного отбросного тепла для применения в системе фиг.3.
Осуществление изобретения
Далее со ссылками на фиг.3 описывается система терморегулирования и система объеденного контроля тепла и электроэнергии для применения в топливном элементе. Батарея топливных элементов 30 включает ряд топливных элементов, соответствующий общей энергетической потребности системы. Источник топлива (обычно водорода, подаваемого из водородного резервуара 40 или с установки реформинга) соединен с анодным вводом 31, из которого топливо поступает на анодные пластины в батарее топливных элементов. Для облегчения продувки анодных жидкостно-поточных пластин, например для удаления воды, скапливающейся на анодной стороне МЕА, или для обратной связи с секцией сгорания топливоперерабатывающего устройства типа установки реформинга предусмотрен анодный продувочный вывод 32.
Подача топлива может включать подходящий механизм предварительного нагрева, преимущественно с использованием тепла, генерируемого самой батареей топливных элементов, или с использованием электронагревателя в пусковой период.
Система контроля анодного жидкостного потока может также включать продувочный клапан 46, соединенный с анодным выводом 32, для периодической продувки анода.
Источник окислителя (обычно воздуха) соединен с катодным вводом 33, который подает окислитель на катодные пластины батареи топливных элементов 30. Катодный вывод 34 (или "катодный выхлоп") предусмотрен для облегчения отдувки неизрасходованного окислителя вместе разбавителем или инертными газами, если таковые имеются, и побочных продуктов реакции, включая воду.
В одной из предпочтительных конфигураций источником окислителя, как показано, является окружающий воздух, подаваемый с помощью компрессора 53 через фильтр 55, который обеспечивает подачу к топливному элементу окислителя в объеме, определяемом условиями преобладающей нагрузки.
Катодный вывод 34 связан с теплообменным трубопроводом 60 в термоаккумулирующем резервуаре 61. Предпочтительно, когда теплообменный трубопровод 60 является змеевиком, проходящим через водяную рубашку 62 термоаккумулирующего резервуара. Однако обычно теплообменным трубопроводом может быть любой подходящий трубопровод, через который вода/водяной пар из катодного вывода 34 может пройти в и через любое подходящее теплопроводящее устройство. Теплообменный трубопровод проходит к сборной емкости 63 для сбора воды и конденсата водяного пара.
Вода из сборника конденсата 63 возвращается к анодам и/или катодам батареи топливных элементов через ввод для воды 70, где вода используется для выполнения одной или более функций, полезных для поддержания внутри батареи топливных элементов 30 оптимальных рабочих условий. Например, теплая вода может быть использована для предварительного подогрева топлива и/или окислителя.
Вода может быть использована для увлажнения входящего потока топлива и/или окислителя, способствуя в то же время поддержанию необходимого уровня скорости реакции в МЕА и увеличению срока службы мембраны. Альтернативным образом воду можно впускать в каналы пластин жидкостно-поточного поля с анодной и/или с катодной стороны, где вода может выполнять одну или более из следующих функций: регулирование температуры МЕА за счет повторного испарения, увлажнение мембраны и предварительный нагрев топлива и/или окислителя.
В общих словах, вода и/или водяной пар, выходящие из катодного вывода 34, пропускаются через весь охлаждающий контур, включающий теплообменный трубопровод 60, сборник конденсата 63 и водозабор 70.
В предпочтительных воплощениях охлаждающий контур включает также водяной насос 71 для поддержания необходимой скорости потока на водозаборе 70.
Предпочтительно, чтобы сборник конденсата 63 включал также выпускной отвод 66 и связанный с ним клапан регулирования давления 65 для необходимого дозированного выпуска из охлаждающего трубопровода отработанных газов и воды. Клапан регулирования давления облегчает, если это необходимо, повышенный отбор энергии из топливного элемента при эксплуатации топливного элемента с повышенным давлением воздуха на входе. Клапан регулирования давления позволяет регулировать выпуск катодного газового выхлопа и, в случае их присутствия, носителя или инертных газов при заданном уровне давления. Клапан регулирования давления обеспечивает, таким образом, механизм контроля для регулируемого отвода выхлопных газов из охладительного контура.
Следует отметить, что в охлаждающем контуре используется вода, которая вырабатывается батареей топливных элементов 30 в результате соединении водорода с кислородом в МЕА, и поддерживает этот источник воды. Следовательно, при этом сохраняется высокая чистота воды и это может быть использовано для непосредственного впрыскивания воды в топливо и/или в источники кислорода. Водяной побочный продукт батареи топливных элементов не представляет значительного риска отравления или какого-либо отрицательного влияния на производительность МЕА в батарее топливных элементов.
Вода в теплообменном трубопроводе 60 преимущественно полностью изолирована от воды в водяной рубашке 62, которая может быть восполнена из местных источников воды неопределенного состава с использованием подающего устройства для холодной воды 80. Горячая вода для ее использования в бытовых или торговых помещениях может быть отобрана через вывод горячей воды 81. Отопление объема бытовых или торговых помещений может быть также произведено путем подачи горячей воды в радиаторную систему (не показана) с помощью вспомогательного водяного контура 82.
Следует принять во внимание, что источники нагрева воды и помещений, обеспечиваемого термоаккумулирующим резервуаром 61, могут поступать либо только от батареи топливных элементов 30, либо же просто дополняться от батареи топливных элементов 30.
Особым преимущественном описанного устройства кроме того, что оно обеспечивает поддержание высокой чистоты воды в контуре охлаждения, является то, что топливному элементу может быть гарантирована необходимая охлаждающая емкость при всех условиях нагрузок. Выпрямитель 90 и обратный преобразователь 91 обеспечивают выход 92 к внешним электрическим нагрузкам.
Когда условия внешних электрических нагрузок высоки, будет вырабатываться значительное количество тепловой энергии и она будет храниться для более позднего использования в термоаккумулирующем резервуаре 61. Вместе с тем, когда потребная внешняя электрическая нагрузка является низкой, но потребность в бытовой горячей воде высока, батарея топливных элементов 30 может обычным образом эксплуатироваться в условиях полной нагрузки, причем вырабатываемая при этом электроэнергия будут использоваться внутри системы, способствуя непосредственному нагреву водяной рубашки 62 с использованием погруженного нагревателя или подобным же образом. Такого типа устройство показано на фиг.4, где термоаккумулирующий резервуар 61 оборудован встроенным погруженным нагревателем 95, который связан с источником электроэнергии 92. Это не только обеспечивает непосредственный нагрев воды, но благодаря прилагаемой к батарее топливных элементов 30 электрической нагрузке повышает выход тепла топливного элемента, которое подается в термоаккумулирующий резервуар 61 через охлаждающий контур.
Таким образом, на эксплуатацию топливного элемента не накладывается ограничение в том, что тепловая нагрузка должна соответствовать электрической нагрузке и наоборот. Термоаккумулирующий резервуар 61 обеспечивает эффективное разобщение электрической и тепловой нагрузок объединенной теплоэлектросистемы.
Хотя указывалось, что термоаккумулирующий резервуар 61 оборудован водяной рубашкой 62, находящейся в непосредственном тепловом контакте с водой в охладительном контуре теплообменного змеевика 60, следует иметь в виду, что возможна и какая-либо иная форма термоаккумулирующего резервуара, например любая подходящая масса материала, обладающего высокой теплоемкостью. Этот термоаккумулирующий резервуар может быть затем, в случае необходимости, использован для нагрева воды.
В типичном образцовом топливном элементе катодный выхлоп 34 содержит смесь воды с водяным паром при приблизительно 80°С, что оказалось идеальным для обеспечения бытового горячего водоснабжения с помощью вторичного водяного контура 82. После осуществления теплообмена в описанных в заявке предпочтительных воплощениях при специально подобранных рабочих условиях возможно возвращение охлаждающей воды на ввод охлаждающей воды 70 при температурах от 30 до 60°С. Таким образом, даже в случае топливных элементов высокой мощности контур охлаждения настоящего изобретения, как правило, допускает устранение специальных охлаждающих пластин в батарее топливных элементов и осуществление охлаждения только с помощью механизма испарения и конденсации.
Возможны различные модификации описанных выше воплощений изобретения. В том случае, когда количества тепловой энергии, отводимой из катодного выпуска 34 в термоаккумулирующий резервуар 61 недостаточно, может быть введен дополнительный механизм теплоотвода.
Например, как показано на фиг.5, вместо водосборника 63 или дополнительно к нему может быть использован конденсаторный блок 100 с воздушным охлаждением.
В еще одном дополнительном устройстве, которое показано на фиг.6, избыток тепловой энергии может быть выведен из системы через вывод для отработанной воды 104, соединенный с выводом горячей воды 81, под контролем датчика температуры 101 на выходе из термоаккумулирующего резервуара 61, откуда вода поступает в водозабор 70. Датчик температуры 101 регулирует клапан 102 по линии обратной связи 103, регулируя тем самым отвод горячей воды, который восполняется холодной водой из источника холодного водоснабжения 80, когда температура в водозаборе 70 превышает заданный уровень.
Следует иметь в виду, что водозабор 70 может быть использован для подвода воды не только к анодам и/или катодам батареи топливных элементов в целях их охлаждения и увлажнения, но он может быть также использован при необходимости для подвода воды к отдельным охлаждающим пластинам, расположенным между некоторыми пластинами жидкостно-поточного поля.
Допускаются и другие воплощения изобретения в рамках приложенной формулы изобретения.
1. Топливно-элементный агрегат, включающий:
батарею топливных элементов, имеющую по меньшей мере одно вводное отверстие для ввода охлаждающей воды, причем вводное отверстие соединено с каналами жидкопоточных пластин, и по меньшей мере одно выводное отверстие для отвода воды и/или водяного пара из мембранно-электродного блока, и
термоаккумулирующий резервуар с проходящим через него теплообменным трубопроводом, имеющим ввод и вывод, соединенные соответственно по меньшей мере с одним выводным отверстием и с по меньшей мере с одним вводным отверстием батареи топливных элементов, в результате чего образован контур охлаждения для батареи топливных элементов, при этом контур охлаждения использует воду, вырабатываемую батареей топливных элементов.
2. Агрегат по п.1, который дополнительно включает блок сбора конденсата в контуре охлаждения между выводом из теплообменника и вводным отверстием батареи топливных элементов.
3. Агрегат по п.1, который дополнительно включает водяной насос в контуре охлаждения между выводом из теплообменника и вводным отверстием батареи топливных элементов.
4. Агрегат по п.1, в котором термоаккумулирующий резервуар включает водяную рубашку, охватывающую теплообменный трубопровод.
5. Агрегат по п.4, в котором водяная рубашка дополнительно включает подвод холодной воды и точку отвода горячей воды.
6. Агрегат по п.4 или 5, дополнительно включающий электронагревательный элемент для нагрева водяной рубашки, который связан с электрическим выводом батареи топливных элементов.
7. Агрегат по п.1, дополнительно включающий средство регулирования давления для регулируемого выпуска отбросных газов из контура охлаждения.
8. Агрегат по п.1, в котором термоаккумулирующий резервуар включает проходящий через него вспомогательный водяной контур для обеспечения радиаторной системы для обогрева помещений.
9. Агрегат по п.1, в котором вводное отверстие батареи топливных элементов, куда поступает вода из контура охлаждения, связано с системой прямой водоподачи анодов и/или катодов в батарее топливных элементов.
10. Агрегат по п.1, в котором вводное отверстие батареи топливных элементов, куда поступает вода из контура охлаждения, связано с агрегатом предварительного подогрева для обеспечения подогрева топлива и/или окислителя, подаваемых на соответствующие аноды/катоды.
11. Агрегат по п.5, который дополнительно включает клапан, помещенный между точкой отвода горячей воды и вывода отработанной воды, и датчик температуры в контуре охлаждения для приведения в действие клапана в том случае, когда температура воды в контуре охлаждения превышает заданную величину.
12. Агрегат по п.1, в котором, по меньшей мере, одно выводное отверстие включает отверстие для катодного выхлопа.
13. Способ эксплуатации топливно-элементного агрегата, включающий стадии:
подачи топлива и окислителя в батарею топливных элементов, в результате чего генерируется электрический ток и образуется побочный продукт в виде воды/водяного пара;
подачи воды/водяного пара в теплообменный трубопровод термоаккумулирующего резервуара и отвода оттуда тепловой энергии;
приема воды и конденсата пара из теплообменного трубопровода и возвращения их в мембранно-электродный блок батареи топливных элементов; и
сохранения тепловой энергии в термоаккумулирующем резервуаре, при этом батарея топливных элементов и теплообменный трубопровод образуют контур водяного охлаждения, причем контур охлаждения использует воду, вырабатываемую батареей топливных элементов.
14. Способ по п.13, дополнительно включающий сбор отводимых воды и конденсата пара в сборнике конденсата в контуре охлаждения между теплообменником и вводным отверстием батареи топливных элементов.
15. Способ по п.13, дополнительно включающий стадию хранения отобранной энергии в водяной рубашке термоаккумулирующего резервуара.
16. Способ по п.15, дополнительно включающий стадию отвода нагретой воды из водяной рубашки и восполнения ее холодной водой.
17. Способ по п.13, дополнительно включающий стадию нагрева воды во втором водяном контуре из термоаккумулирующего резервуара.
18. Способ по п.13, дополнительно включающий стадию использования отводимой воды и конденсата пара для подачи в систему прямого ввода воды анодов и/или катодов в батарее топливных элементов.
19. Способ по п.13, дополнительно включающий стадию использования отводимой воды и конденсата пара в батарее топливных элементов с целью предварительного подогрева топлива и/или окислителя, подаваемых на соответствующие аноды/катоды.
