Способ эксплуатации электрохимического устройства

Изобретение относится к изготовлению энергоустановок на базе топливных элементов с неразделенными газовыми пространствами. Согласно изобретению способ эксплуатации топливного элемента с неразделенными газовыми пространствами включает подачу к электродам смеси газообразных топливного и окислительного реагентов через входную магистраль ЭХУ, отвод газовой смеси из катодной области через выходную магистраль и подачу ее во входную магистраль. После подачи газовой смеси в ЭХУ осуществляется ее многократная рециркуляция с последующей продувкой ЭХУ для удаления отработанной газовой смеси. Кратность рециркуляции газовой смеси составляет 3-40 относительно объема газовой смеси, поданной в ЭХУ. В зависимости от режима работы ЭХУ газовая смесь может подогреваться или охлаждаться, осушаться или увлажняться. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования реагентов. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании и эксплуатации энергоустановок на базе топливных элементов.

Наиболее близкой к данному изобретению является способ эксплуатации электрохимического устройства (ЭХУ) - топливного элемента с неразделенными газовыми пространствами, согласно которому к электродам подается газообразная смесь из топливного и окислительного реагентов, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию ЭХУ, а также его эксплуатацию [Патент США №4248941, опубл. 03.02.81, МПК Н 01 М 8/10].

Недостатком известного способа эксплуатации ЭХУ с неразделенными газовыми пространствами является низкая эффективность использования реагентов, которые выбрасываются после прохождения через ЭХУ.

Задачей изобретения является создание способа эксплуатации ЭХУ с неразделенными газовыми пространствами, обеспечивающего более эффективное использование реагентов.

Указанный технический результат достигается тем, что:

В способе эксплуатации ЭХУ, состоящего по крайней мере из одного топливного элемента с неразделенными газовыми пространствами, включающем подачу к электродам исходной смеси газообразных топливного и окислительного реагентов через входную магистраль ЭХУ и отвод газовой смеси через одну или несколько выходных магистралей ЭХУ, газовая смесь из выходной магистрали подается во входную магистраль ЭХУ.

Во входную магистраль ЭХУ подается газовая смесь из выходной магистрали ЭХУ, отводящей газовую смесь из катодной области ЭХУ.

После подачи исходной газовой смеси реагентов в ЭХУ осуществляется ее многократная рециркуляция с введением в нее дополнительных порций исходной смеси и с последующей продувкой ЭХУ для удаления отработанной газовой смеси.

Кратность рециркуляции газовой смеси составляет 3-40 относительно объема исходной газовой смеси, поданной в ЭХУ.

Сигналом на начало и окончание введения дополнительной порции исходных реагентов служит выход давления газовой смеси из заданного диапазона.

Для продувки ЭХУ используется исходная смесь газообразных топливного и окислительного реагентов.

Сигналом на начало продувки ЭХУ служит уменьшение напряжения ЭХУ ниже заданного уровня.

Газовая смесь, подаваемая из выходной магистрали, в зависимости от режима работы ЭХУ подогревается или охлаждается.

Газовая смесь в зависимости от режима работы ЭХУ осушается или увлажняется.

Примеры конкретного выполнения (см. чертеж).

В корпусе ЭХУ 1 размещен топливный элемент, состоящий из твердого электролита (например, нафиона) 2, анода 3 и катода 4. Через входную магистраль 5 в ЭХУ 1 подается исходная газообразная смесь 6, состоящая из топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода). На аноде 3 и катоде 4 с катализаторами селективного действия происходит окисление водорода и восстановление кислорода соответственно. При замыкании топливного элемента на нагрузку за счет диффузии протона через нафионную мембрану на катоде образуется вода, а концентрация водорода в газовой смеси в прикатодном пространстве повышается. Газовая смесь 7 из прикатодного пространства ЭХУ подается через выходную магистраль 8 на вход 5 ЭХУ, при этом выходная магистраль из прианодного пространства 9 закрыта. Газовая смесь 7 проходит через барбатер 10, изменяя свою температуру и влажность. С помощью устройства рециркуляции 11 для восполнения расхода реагентов на генерацию электроэнергии в газовую смесь подается новая порция исходной смеси реагентов в количествах, необходимых для поддержания исходного давления газовой смеси. По мере накопления в газовой смеси продуктов реакции (в рассматриваемом случае - воды) и «инертных» газов (например, азота при использовании в качестве окислителя кислорода воздуха) концентрация активных реагентов в газовой смеси снижается. Одновременно снижается и эффективность работы топливного элемента. Для восстановления исходного состава газовой смеси производится продувка ЭХУ, для чего в него подается новая исходная смесь реагентов, а отработанная газовая смесь отводится из ЭХУ через выходные магистрали 7 и 8. В качестве сигнала на начало продувки ЭХУ используется уменьшение напряжения ЭХУ ниже определенного уровня.

1. Способ эксплуатации электрохимического устройства (ЭХУ), состоящего по крайней мере из одного топливного элемента с неразделенными газовыми пространствами, включающий подачу к электродам исходной смеси газообразных топливного и окислительного реагентов через входную магистраль ЭХУ и отвод газовой смеси через одну или несколько выходных магистралей ЭХУ, отличающийся тем, что газовая смесь из выходной магистрали подается во входную магистраль ЭХУ.

2. Способ эксплуатации по п.1, отличающийся тем, что во входную магистраль ЭХУ подается газовая смесь из выходной магистрали ЭХУ, отводящей газовую смесь из катодной области ЭХУ.

3. Способ эксплуатации по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что после подачи исходной газовой смеси реагентов в ЭХУ осуществляется ее многократная рециркуляция с введением в нее дополнительных порций исходной смеси и с последующей продувкой ЭХУ для удаления отработанной газовой смеси.

4. Способ эксплуатации по п.3, отличающийся тем, что кратность рециркуляции газовой смеси составляет 3-40 относительно объема газовой смеси, поданной в ЭХУ.

5. Способ эксплуатации по п.3, отличающийся тем, что сигналом на начало и окончание введения дополнительной порции исходных реагентов служит выход давления газовой смеси из заданного диапазона.

6. Способ эксплуатации по п.3, отличающийся тем, что для продувки ЭХУ используется исходная смесь газообразных топливного и окислительного реагентов.

7. Способ эксплуатации по п.3, отличающийся тем, что сигналом на начало продувки ЭХУ служит уменьшение напряжения ЭХУ ниже заданного уровня.

8. Способ эксплуатации по п.3, отличающийся тем, что газовая смесь, подаваемая из выходной магистрали в зависимости от режима работы ЭХУ, подогревается или охлаждается.

9. Способ эксплуатации по п.6, отличающийся тем, что газовая смесь в зависимости от режима работы ЭХУ осушается или увлажняется.