Батарея водородно-кислородных (воздушных) щелочных топливных элементов
Изобретение относится к области электротехники, в частности к батареям топливных элементов (БТЭ), используемым в энергоустановках различного назначения, например на транспортных средствах, или в качестве аварийного источника энергоснабжения. Согласно изобретению БТЭ содержит, по крайней мере, два электрически последовательно соединенных ТЭ, каждый из которых содержит анод с водородсорбирующим сплавом, кислородный (воздушный) катод и дополнительный электрод, подключенный параллельно к катоду, при этом в качестве дополнительного электрода взят окисноникелевый электрод, расположенный между анодом и катодом, все электроды снабжены внешними электрическими выводами, электрическое последовательное соединение ТЭ выполнено между выводом анода одного ТЭ и выводом дополнительного электрода другого ТЭ, а вывод катода в каждом из ТЭ подключен к выводу дополнительного электрода посредством устройства коммутации. Дополнительный электрод отделен от анода матричным электролитом, а от катода жидким электролитом. ТЭ по жидкому электролиту объединены в общий электролитный контур. Устройство коммутации может быть выполнено в виде электромеханического реле, интеллектуального ключа, развязывающего диода, управляемого диода, тиристора, полевого транзистора. Техническим результатом изобретения является создание БТЭ, обладающей быстрой взводимостью, высокими удельными электрическими характеристиками и длительным ресурсом. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к батареям топливных элементов (БТЭ), используемым в энергоустановках различного назначения, например на транспортных средствах, или в качестве источника аварийного энергоснабжения.
Предшествующий уровень техники
Известны батареи водородно-кислородных (воздушных) топливных элементов (ТЭ), используемых на транспортных средствах в качестве источника энергии. Однако эти БТЭ не могут обеспечить пиковую мощность, потребляемую транспортным средством при маневрах, и рекуперацию энергии при торможении. Для обеспечения указанных требований используется накопитель энергии, например аккумулятор, подключаемый параллельно с БТЭ (см. патент США 5929594, кл. H 02 J 7/00, 1999). Наличие дополнительного аккумулятора ухудшает удельные характеристики установки.
Известна батарея водородно-кислородных ТЭ-аккумуляторов, представляющая собой батарею, в которой каждый ТЭ, совмещает в одном корпусе ТЭ и электролизер. ТЭ содержит водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный, электрод с кислородной камерой, электролит, расположенный между электродами, и емкости для хранения водорода и кислорода (см. патент США 4839247, Н 01 М 8/18, 1989). Недостатком известной батареи являются низкие удельные электрические характеристики из-за наличия емкостей для хранения водорода и кислорода. Кроме того, используемые в батарее ТЭ обладают ограниченным ресурсом из-за плохой обратимости кислородного электрода при циклировании (см. В.С.Багоцкий и др. Химические источники тока, Москва, Энергоиздат, 1981, с.255).
Известна батарея ТЭ, каждый из которых содержит водородную и кислородную камеры с соответствующими электродами, разделенными электролитом. Для обеспечения длительной работоспособности ТЭ батареи содержат два типа электродов, одни из которых используются при заряде, а другие при разряде батареи (см. патент США 4074018, кл. Н 01 М 4/86, 1978). Недостатком рассматриваемой батареи является сложность конструкции из-за наличия двух типов электродов, размещенных в одном корпусе.
Из известных батарей водородно-кислородных (воздушных) щелочных ТЭ наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является БТЭ, содержащая, по крайней мере, два электрически последовательно соединенных ТЭ, каждый из которых содержит анод с водородсорбирующий сплавом, кислородный (воздушный) катод и дополнительный электрод, подключенный параллельно к катоду (см. патент США 6447942 В1, кл. Н 01 М 4/00, 2002). Недостаток рассматриваемой БТЭ связан с низкой обратимостью катода при циклировании и возможностью окисления подложки катода при заряде, что приводит к снижению ресурса.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание БТЭ, обладающей быстрой взводимостью, высокими удельными характеристиками и длительным ресурсом работы.
Указанный технический результат достигается тем, что батарея водородно-кислородных (воздушных) щелочных топливных элементов содержит, по крайней мере, два электрически последовательно соединенных ТЭ, каждый из которых содержит анод с водородсорбирующим сплавом, кислородный (воздушный) катод и дополнительный электрод, подключенный параллельно к катоду, при этом согласно изобретению в качестве дополнительного электрода взят окисноникелевый электрод, расположенный между анодом и катодом, все электроды снабжены внешними электрическими выводами, электрическое соединение ТЭ выполнено между выводом анода одного ТЭ и выводом дополнительного электрода другого ТЭ, а вывод катода в каждом из ТЭ подключен к выводу дополнительного электрода посредством устройства коммутации. Описанная выше конструкция БТЭ позволяет использовать ее как параллельно соединенные БТЭ и никель-металлогидридный аккумулятор. При пиковых потреблениях мощности основную токовую нагрузку обеспечивает аккумулятор, а по мере его разряда увеличивается нагрузка на БТЭ. При полном разряде аккумулятора питание нагрузки обеспечивается от БТЭ. Размещение в каждом ТЭ дополнительного окисноникелевого электрода между анодом и катодом и подключение катода через коммутирующее устройство к дополнительному электроду позволяет использовать ТЭ как параллельно включенные водородно-кислородный (воздушный) ТЭ и никель-металлогидридный аккумулятор. При этом ввиду высокой обратимости водородного электрода он является общим и для ТЭ и для аккумулятора. Наличие в БТЭ параллельно включенного к ней аккумулятора позволяет обеспечить ее быстрый запуск и повысить удельные электрические характеристики.
Целесообразно, чтобы дополнительный электрод был отделен от анода матричным электролитом, а от катода жидким электролитом.
Целесообразно, чтобы топливные элементы по жидкому электролиту были объединены в общий электролитный контур. Наличие в ТЭ батареи матричного и жидкого электролита, объединенного в общий электролитный контур, позволяет, для увеличения ресурса при хранении БТЭ, сливать электролит, оставляя при этом заправленный и готовый, при необходимости, к приему нагрузки аккумулятор. Это обеспечивает быструю взводимость заявленной БТЭ, поскольку во время запуска БТЭ нагрузку обеспечивает аккумулятор. Кроме того, наличие общего электролитного контура упрощает задачу удаления тепла и продуктов реакции из БТЭ.
Целесообразно, чтобы устройство коммутации было выполнено в виде электромеханического реле. Наличие реле позволяет отключать катод во время заряда аккумулятора, что предотвращает его деградацию, а следовательно, повышает ресурс БТЭ.
Целесообразно, чтобы устройство коммутации было выполнено в виде интеллектуального ключа, развязывающего диода, управляемого диода, тиристора или полевого транзистора. Выполнение коммутирующего устройства из бесконтактных электронных устройств позволяет упростить конструктивную электрическую схему БТЭ, уменьшить ее габариты, а также паразитные потери мощности. Это связано с тем, что контактные коммутирующие устройства из-за больших габаритов необходимо компоновать в отдельный конструктивный блок и прокладывать к ним силовые шины от коммутируемых выводов БТЭ.
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 чертежом и описанием конструкции заявленной БТЭ
На чертеже представлен один из возможных вариантов выполнения функциональной схемы БТЭ.
БТЭ включает ТЭ 1, каждый из которых содержит анод 2 с выводом 3, дополнительный электрод 4 с выводом 5, матричный электролит 6, жидкий электролит 7 и катод 8 с выводом 9. Катод 8 каждого ТЭ 1 через вывод 9 подключен к выводу 5 своего дополнительного электрода 4 посредством развязывающего диода 10. Все ТЭ 1 по жидкому электролиту 7 объедены в общий электролитный контур 11. К выводам БТЭ 3 и 5 подключена внешняя нагрузка 12.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Заявленная БТЭ работает следующим образом. В процессе запуска БТЭ, включающем заправку общего электролитного контура 11 и ТЭ 1 жидким электролитом, подачу водорода в водородную полость анода 2 (не показано), подачу кислорода (воздуха) в кислородную (воздушную) полость катода 8 (не показано) питание внешней нагрузки 12 и запуск БТЭ осуществляется от аккумулятора. После запуска БТЭ обеспечивает питание нагрузки параллельно с аккумулятором. По мере разряда аккумулятора доля нагрузки на ТЭ возрастает. При полном разряде аккумулятора питание внешней нагрузки осуществляется от БТЭ. Тепло и вода, образующиеся в процессе работы, удаляются из БТЭ посредством общего электролитного контура. При перерывах в работе или необходимости отключения и консервации БТЭ производят заряд аккумулятора путем подключения к выводам 3 и 5 внешнего источника электроэнергии (не показан). В процессе заряда на аноде 2 выделяется водород, который поглощается металлогидридным сплавом, на окисно-никелевом электроде протекает реакция заряда в соответствии с уравнением реакции: Ni(ОН)2+ОН-→NiOOH+H2O+e. В процессе заряда катод защищен от деградации, поскольку на катод 8 напряжение не подается, т.к. он заперт разделительным диодом 10. При длительном хранении и консервации БТЭ жидкий электролит сливается, а аккумулятор остается заряженным и готовым к приему нагрузки, поскольку в нем используется матричный электролит. Таким образом, в заявленной БТЭ в каждом ТЭ в едином корпусе функционально совмещены электрически параллельно включенные ТЭ и металлогидридный аккумулятор, что позволяет обеспечить быструю взводимость БТЭ, повысить ее удельные электрические характеристики и ресурс работы. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленная БТЭ может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она соответствует критерию промышленная применимость.
1. Батарея водородно-кислородных (воздушных) щелочных топливных элементов, содержащая, по крайней мере, два электрически последовательно соединенных топливных элемента, каждый из которых содержит анод с водородсорбирующим сплавом, кислородный (воздушный) катод и дополнительный электрод, подключенный параллельно к катоду, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного электрода взят окисно-никелевый электрод, расположенный между анодом и катодом, все электроды снабжены внешними электрическими выводами, электрическое последовательное соединение топливных элементов выполнено между выводом анода одного топливного элемента и выводом дополнительного электрода другого топливного элемента, а вывод катода в каждом из топливных элементов подключен к выводу дополнительного электрода посредством устройства коммутации.
2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный электрод отделен от анода матричным электролитом, а от катода жидким электролитом.
3. Батарея по п.1 или 2, отличающаяся тем, что топливные элементы по жидкому электролиту объединены в общий электролитный контур.
4. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде электромеханического реле.
5. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде интеллектуального ключа.
6. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде развязывающего диода.
7. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде управляемого диода.
8. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде тиристора.
9. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде полевого транзистора.
