Батарея топливных элементов (варианты) и способ ее эксплуатации

Изобретение относится к батареям топливных элементов (БТЭ). Согласно изобретению БТЭ имеет набор характеристик, обеспечивающий увеличение срока эксплуатации батареи. В одном из вариантов слои поля потока не имеют пор и гидрофобны, благодаря чему обеспечивается скорость абсорбции кислоты, меньшая примерно 0,10 мг/кч·см². Удерживающая электролит матрица имеет скорость реакций с фосфорной кислотой, меньшую примерно 0,010 мг/кч·см². Гидрофильные подложки, связанные со слоями катализаторов, имеют начальное содержание подвижной фосфорной кислоты, меньшее примерно 25 мг/см². Область конденсации обеспечивает скорость потери испарившейся фосфорной кислоты меньшую, чем примерно 0,17 мг/кч·см². Техническим результатом изобретения является улучшение характеристик и срока службы батареи. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область, к которой относится изобретение

Данное изобретение, в общем, относится к батареям топливных элементов. Более конкретно, изобретение направлено на улучшение характеристик батарей топливных элементов с целью продления срока эксплуатации (увеличения ресурса).

Уровень техники

Топливные элементы получают все большее распространение и применение. Одной из проблем, стоящих перед разработчиками топливных элементов и батарей, составленных из них, является обеспечение достаточно длительного срока эксплуатации энергетических установок. Не прекращаются усилия, направленные на улучшение эксплуатационных показателей топливных элементов, включая увеличение располагаемой мощности при заданных стоимости и объеме энергетических установок, а также продление срока их эксплуатации.

Одна из конфигураций, дающих преимущества в этом отношении, предложена в патенте US № 5558955. Она включает не содержащее пор гидрофобное катодное поле потока, которое обеспечивает улучшение качеств, связанных со скоростью абсорбции кислоты. Для одного примера батареи топливных элементов, изготовленного в соответствии с описанием из указанного документа, срок эксплуатации батареи составляет примерно пять лет. Весьма полезным было бы продление срока эксплуатации батарей топливных элементов.

Другое усовершенствование работы топливных элементов, способствующее продлению срока их службы путем снижения потери электролита, предложено в патентах US № 4345008 и № 4414291. В этих патентах показана область конденсации электролита, служащая для конденсации электролита из потока газов до их выхода из батареи. Сокращение потери электролита делает возможным продления периода эксплуатации топливных элементов.

Другая полезная особенность предложена в патенте US № 4035551, в котором описывается гидрофильная электродная подложка, которая функционирует как слой - резервуар электролита. Благодаря такой конфигурации увеличиваются возможности сохранения электролита.

Хотя в работах по совершенствованию топливных элементов имеются отдельные улучшения и достижения, никем еще не был разработан комплексный подход, который позволил бы продлить период нормальной эксплуатации батарей топливных элементов при одновременном уменьшении размеров и стоимости таких компонентов как пластины, служащие резервуарами для электролита. Данное изобретение направлено на решение этой задачи и содержит уникальный подход к проблеме снижения скорости, с которой ухудшаются эксплуатационные характеристики топливных элементов, и уменьшения потери кислоты топливными элементами.

Раскрытие изобретения

В одном примере батарея топливных элементов содержит разделительную пластину и слои поля потока, связанные с разделительной пластиной. Слои поля потока обеспечивают, что скорость абсорбции кислоты составляет менее примерно 0,10 мг/кч·см². Удерживающая электролит матрица характеризуется скоростью реакций с фосфорной кислотой, меньшей примерно 0,010 мг/кч·см². Слои катализаторов связаны с гидрофильными подложками, у которых начальное содержание подвижной фосфорной кислоты является меньшим, чем примерно 45 мг/см². Батарея этого примера содержит также область конденсации, которая обеспечивает, что скорость потери испаряющейся фосфорной кислоты является меньшей, чем примерно 0,27 мг/кч·см².

В одном примере содержание подвижной фосфорной кислоты в гидрофильных подложках составляет меньше, чем примерно 25 мг/см². В одном примере гидрофильные подложки являются примерно на 70%, пористыми, и содержат пустоты, объем которых в начальном состоянии заполнен примерно на 40%. В этом примере гидрофильные подложки имеют толщину примерно 0,25 мм.

В одном примере область конденсации обеспечивает скорость потери испаряющейся фосфорный кислоты меньше примерно 0,17 мг/кч·см².

Другой пример батареи топливных элементов содержит разделительную пластину. Не имеющие пор и гидрофобные слои поля потока связаны с пластиной сепаратора. Удерживающая электролит матрица содержит порошкообразный карбид кремния и характеризуется средним размером частиц, равным примерно 3 микронам, и толщиной, равной примерно 0,05 мм. Гидрофильные подложки связаны со слоями катализаторов. Гидрофильные подложки являются примерно на 70% пористыми и имеют пустоты, объем которых в начальном состоянии примерно на 40% заполнен подвижной фосфорной кислотой. В области конденсации пары, выходящие из батареи, охлаждаются до температуры, меньшей примерно 140°С.

Сочетание характеристик батарей топливных элементов для данного примера обеспечивает существенное продление срока эксплуатации батарей. В одном из раскрытых примеров батарея обладает сроком службы, удвоенным по сравнению с известными конфигурациями.

Различные особенности и преимущества данного изобретения станут очевидными для специалистов в данной области из следующего далее подробного описания предпочтительного в нестоящее время воплощения. Чертежи, сопровождающие подробное описание, могут быть кратко охарактеризованы следующим образом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид в поперечном разрезе некоторых частей батареи топливных элементов, взятой в качестве примера.

Фиг.2 - более детальный, чем на фиг.1, схематический вид в поперечном разрезе отдельных частей батареи топливных элементов, взятой в качестве примера.

Осуществление изобретения

Фиг.1 и 2 показывают некоторые части батареи 2 топливных элементов. Один пример включает топливные элементы с фосфорной кислотой батареи 2.

Слой 16 разделительной пластины имеет связанные с ним слои 12 и 12' поля потока. В одном примере слои поля потока не имеют пор и гидрофобны. В одном примере непористые гидрофобные слои поля потока выполнены в соответствии с описанием, данным в US № 5558955. Описания из указанного документа считаются отсылочно включенными в данное описание. Существенное различие между конфигурацией данного примера и конфигурацией, раскрытой в предыдущем патенте, состоит в том, что в данном примере оба слоя поля потока не имеют пор и гидрофобны. В одном примере слой поля потока содержат наряду с натуральным пластинчатым графитом гидрофобную смолу, которая предлагается на рынке компанией DuPont.

Одно из преимуществ применения непористых и гидрофобных слоев поля потока 12 и 12' состоит в том, что они обеспечивают желательную скорость абсорбции кислоты, способствующую продлению срока эксплуатации топливного элемента. В одном примере слои поля потока обеспечивают скорость абсорбции кислоты, меньшую примерно 0,10 мг/кч·см².

Удерживающие электролит матрицы 6, 6' находятся между соответствующими слоями 8 и 8' катализаторов, как можно видеть на чертежах. Удерживающие электролит матрицы 6-6' в одном примере характеризуются скоростью реакций с фосфорной кислотой, меньшей примерно 0,010 мг/кч·см². В одном примере удерживающая электролит матрица 6-6' выгодно характеризуется низким расходом фосфорной кислоты, что отчасти обусловлено тем, что матрица содержит карбид кремния. В одном примере удерживающая электролит матрица 6-6' содержит порошок карбида кремния со средним размером частиц, равным 3 микрона, а матрица имеет толщину 0,05 мм. При такой конфигурации, например, расход фосфорной кислоты становится меньшим, чем 0,010 мг/кч·см², что обусловлено малой скоростью реакции между фосфорной кислотой и карбидом кремния, при которой образуется фосфат кремния.

Слои катализаторов 8 и 8' находятся на противоположных сторонах удерживающий электролит матрицы 6-6'. В приводимом в качестве иллюстрации примере слой 8 катализатора является катодным слоем катализатора, тогда как слой катализатора 8' является анодным слоем катализатора.

Каждый из слоев катализаторов имеет связанную с ним гидрофильную подложку, которая служит в качестве резервуара электролита. В примере на фиг.1 гидрофильные подложки 10 и 10' связаны с каждым из слоев 8 и 8' катализаторов соответственно.

Гидрофильные подложки примерного воплощения предпочтительно разрабатываются в соответствии с описанием, данным в патенте US № 4035551, которое считается отсылочно включенным в настоящее описание.

Гидрофильные подложки 10-10' в одном примере имеют исходное содержание подвижной фосфорной кислоты, меньшее примерно 45 мг/см². В одном примере это осуществляется при использовании гидрофильных подложек толщиной 0,46 мм, которые являются примерно на 70% пористыми и имеют пустоты, объем которых при начальных условиях заполняется подвижной фосфорной кислотой примерно на 40%.

В другом примере гидрофильные подложки имеют начальное содержание подвижной фосфорной кислоты, меньшее приблизительно 35 мг/см². Это осуществляется в примере путем заполнения приблизительно на 40% объема пустот гидрофильных подложек, имеющих толщину 0,37 мм и являющихся пористыми примерно на 70%.

Наиболее предпочтительно, чтобы гидрофильные подложки имели начальное содержание подвижной фосфорной кислоты, меньшее, чем примерно 25 мг/см². В одном примере это осуществляется с использованием гидрофильных подложек толщиной 0,25 мм, которые являются примерно на 70%, пористыми, и объем пустот в которых при начальных условиях заполнен переносимой фосфорной кислотой примерно на 40%.

Как известно, в типичных топливных элементах с фосфорной кислотой существуют две составляющих электролита. Так называемая удерживаемая кислота представляет собой тот объем кислоты, который сохраняется в порах удерживающей электролит матрицы 6-6' и в порах гидроизоляторов 20, 22. Потери кислоты удерживающей электролит матрицей 6-6' или краевыми изоляторами 20, 22 ведут к пересечению газовых потоков, которое приводит к смешиванию топлива с окислителем и к неисправности топливного элемента. Другой составляющей электролита является так называемая подвижная кислота. Обычно в элементы батареи добавляется избыточная кислота, медленная потеря которой в период эксплуатации элемента не сказывается неблагоприятно на его эксплуатационных показателях или надежности. Эта составляющая кислоты обычно называется подвижной кислотой. Существуют три типичных механизма потери подвижной кислоты: испарение в поток реагентов, выходящих из элемента, поглощение компонентами элемента и реакции с компонентами элемента. Распределение размера пор компонент элемента выбирается, известными способами, таким, что размер пор компонентов, включающих удерживаемую кислоту, является меньшим, чем размер пор, включающих подвижную кислоту. Такая конфигурация гарантирует, что меньшие по размерам поры всегда будут заполняться электролитом благодаря действию капиллярных сил.

Иллюстрирующий пример, представленный фиг.1 и 2, имеет область 24 конденсации, в которой электролит, испарившийся в поток реагентов, конденсируется и возвращается в гидрофильные подложки 10-10', В одном примере область конденсации 24 выполнена в соответствии с описанием, данным в US № 4345008; это описание считается отсылочно включенным в настоящее описание. В иллюстрирующем примере области 26 охладителя включают набор трубок 28, через которые, в соответствии с известными способами, протекает охлаждающий теплоноситель. Так как слои 8 и 8' катализаторов не простираются на область 24 конденсации, эти области называются неактивными областями батареи элементов.

В одном примере области конденсации обеспечивают, что температура реагента, выходящего из элемента, является меньшей примерно 300°F (150°С), а предпочтительно - меньшей 280°F (140°С). Водном примере пары, выходящие из батареи, охлаждаются в области конденсации до температуры, меньшей 140°С. Если поддерживаются такие значения температуры, то сокращается расход кислоты и увеличивается срок эксплуатации топливного элемента.

В одной реализации описываемого примера выходящий из батареи 20 топливных элементов реагент имеет температуру, которая примерно на 45°F (7,2°С) ниже, чем в ранее известных батареях топливных элементов. В одном примере такое различие ведет к тому, что скорость потери кислоты в описываемом примере составляет примерно пятую часть от соответствующей скорости для известной батареи топливных элементов.

В одной реализации иллюстрирующего примера начальный "запас" подвижной кислоты составляет примерно 25 мг/см², что существенно ниже, чем 65 мг/см² для известной батареи узла топливных элементов. В то же время следует отметить, что батарея в иллюстрирующем примере имеет расчетный срок эксплуатации, равный 90000 ч, то есть примерно вдвое большим, чем для известного топливного элемента. Существенный вклад в такое увеличение срока эксплуатации вносит сокращение потери кислоты в описываемом примере. В одной реализации иллюстрирующего примера скорость потери кислоты равна 0,27 мг/кч·см², что следует сопоставить со скоростью потери 1,36 мг/кч·см² в ранее известных батареях топливных элементов. Таким образом, для батареи иллюстрирующего примера обеспечивается срок эксплуатации топливного элемента, равный примерно 10 годам, что следует сопоставить с типичным сроком эксплуатации, равным пяти годам, для известных батарей топливных элементов.

Хотя и каждая отдельная характеристика в иллюстрирующем примере потенциально увеличивает срок эксплуатации, сочетание характеристик дает возможность удвоить эффективный срок службы батареи топливных элементов. В результате эффективного синергизма этих характеристик удалось неожиданно сильно увеличить срок эксплуатации топливного элемента.

Данные выше описания следует рассматривать как иллюстративные и не имеющие ограничительного характера. Вариации и модификации описанных примеров, которые могут оказаться очевидными для специалистов в данной области, не обязательно будут выходить из области, соответствующей сущности данного изобретения. Рамки патентно-правовой защиты данного изобретения могут быть определены только в результате изучения следующей далее формулы изобретения.

1. Батарея топливных элементов, отличающаяся тем, что она содержит разделительную пластину, первый слой поля потока и второй слой поля потока, связанные с разделительной пластиной, имеющие скорость абсорбции кислоты меньше примерно 0,10 мг/кч·см², удерживающую электролит матрицу, имеющую скорость реакций с фосфорной кислотой меньше примерно 0,010 мг/кч·см², катодный слой катализатора, анодный слой катализатора, гидрофильные подложки, связанные со слоями катализаторов, причем в гидрофильных подложках начальное содержание подвижной фосфорной кислоты меньше чем примерно 45 мг/см², и область конденсации, которая обеспечивает скорость потери испаряющейся фосфорной кислоты меньше примерно 0,27 мг/кч·см².

2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что гидрофильные подложки являются примерно на 70% пористыми, причем объем пустот в них в исходном состоянии заполнен подвижной фосфорной кислотой примерно на 40%, и они имеют толщину, примерно равную 0,46 мм.

3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что содержание подвижной фосфорной кислоты в гидрофильных подложках составляет менее чем примерно 35 мг/см².

4. Батарея по п.3, отличающаяся тем, что гидрофильные подложки являются примерно на 70% пористыми, объем пустот в них в исходном состоянии заполнен подвижной фосфорной кислотой примерно на 40%, и они имеют толщину, примерно равную 0,37 мм.

5. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что содержание подвижной фосфорной кислоты в гидрофильных подложках составляет менее примерно 25 мг/см².

6. Батарея по п.5, отличающаяся тем, что гидрофильные подложки являются примерно на 70% пористыми, объем пустот в них в исходном состоянии заполнен подвижной фосфорной кислотой примерно на 40%, и они имеют толщину, примерно равную 0,25 мм.

7. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что удерживающая электролит матрица содержит порошок карбида кремния со средним размером частиц, равным примерно 3 мкм, и имеет толщину примерно 0,05 мм.

8. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что область конденсации находится вблизи края батареи и имеет некоторую длину, причем по крайней мере катодный слой катализатора отделен от указанного края расстоянием, по крайней мере равным длине области конденсации.

9. Батарея по п.8, отличающаяся тем, что она имеет охлаждаемую часть, такую, что скорость охлаждения вблизи области конденсации является более высокой, чем вблизи других частей батареи.

10. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что пары, выходящие из батареи, охлаждаются в области конденсации до температуры, меньшей чем примерно 140°С.

11. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что в области конденсации обеспечивается скорость потери испаряющейся фосфорной кислоты меньше примерно 0,17 мг/кч·см².

12. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что слои поля потока являются гидрофобными и непористыми.

13. Батарея по п.12, отличающаяся тем, что слои поля потока содержат пластинчатый графит и гидрофобную смолу.

14. Батарея топливных элементов, отличающаяся тем, что она содержит разделительную пластину, непористый гидрофобный первый слой поля потока, связанный с разделительной пластиной, непористый гидрофобный второй слой поля потока, связанный с разделительной пластиной, удерживающую электролит матрицу, содержащую порошок карбида кремния со средним размером частиц, примерно равным 3 мкм, и имеющую толщину, примерно равную 0,05 мм, катодный слой катализатора, анодный слой катализатора, гидрофильные подложки, связанные со слоями катализаторов; гидрофильные подложки являются примерно на 70% пористыми, объем пустот в них в исходном состоянии заполнен подвижной фосфорной кислотой примерно на 40%, область конденсации, в которой пары, выходящие из батареи, охлаждаются до температуры меньше примерно 140°С.

15. Батарея по п.14, отличающаяся тем, что гидрофильные подложки имеют толщину, примерно равную 0,46 мм, а начальное содержание подвижной фосфорной кислоты в двух гидрофильных подложках составляет меньше примерно 45 мг/см².

16. Батарея по п.14, отличающаяся тем, что гидрофильные подложки имеют толщину, примерно равную 0,37 мм, а начальное содержание подвижной фосфорной кислоты в двух гидрофильных подложках составляет меньше примерно 35 мг/см².

17. Батарея по п.14, отличающаяся тем, что гидрофильные подложки имеют толщину, примерно равную 0,25 мм, а начальное содержание подвижной фосфорной кислоты в двух гидрофильных подложках составляет меньше примерно 25 мг/см².

18. Батарея по п.14, отличающаяся тем, что удерживающая электролит матрица обеспечивает скорость реакций с фосфорной кислотой меньше примерно 0,010 мг/кч·см².

19. Батарея по п.14, отличающаяся тем, что область конденсации обеспечивает скорость потери испаряющейся фосфорный кислоты меньше примерно 0,27 мг/кч·см².

20. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что область конденсации обеспечивает скорость потери испаряющейся фосфорный кислоты меньше примерно 0,17 мг/кч·см².

21. Батарея по п.14, отличающаяся тем, что слои поля потока обеспечивают скорость абсорбции кислоты меньше примерно 0,10 мг/кч·см².

22. Способ эксплуатации батареи топливных элементов, содержащих фосфорную кислоту, отличающийся тем, что поддерживают скорость абсорбции кислоты меньше примерно 0,10 мг/кч·см², поддерживают скорость протекания реакций удерживающей электролит матрицы с фосфорной кислотой меньше примерно 0,010 мг/кч·см², и поддерживают скорость потери испаряющейся фосфорной кислоты гидрофильных подложек, начальное содержимое подвижной фосфорной кислоты в которых меньше примерно 45 мг/см², меньше примерно 0,27 мг/кч·см².

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что поддерживают скорость потери испаряющейся фосфорной кислоты меньше примерно 0,17 мг/кч·см².

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что пары, выходящие из батареи, охлаждают до температуры меньше примерно 140°С.

25. Способ по п.22, отличающийся тем, что начальное содержимое подвижной фосфорной кислоты в гидрофильных подложках меньше примерно 35 мг/см².

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что начальное содержимое подвижной фосфорной кислоты в гидрофильных подложках меньше примерно 25 мг/см².