Регидратация топливных элементов
Изобретение относится к топливным элементам с протонообменными мембранами. Техническим результатом изобретения является совершенствование конструкции топливного элемента. Согласно изобретению предложена периодическая модуляция одного или более рабочих параметров, например, электрического тока, выводимого из пакета топливных элементов, и потока воздуха в этот пакет внутри блока топливных элементов, в течение интервалов регидратации для прерывистого увеличения уровней гидратации пакета топливных элементов независимо от потребления электрического тока, вырабатываемого в блоке топливных элементов, внешней нагрузкой с одновременным поддержанием подачи электрического тока в эту внешнюю нагрузку. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к топливным элементам, в частности к топливным элементам с протонообменными мембранами, в которых водород подается к анодной стороне топливного элемента, кислород подается к катодной стороне топливного элемента, а побочный продукт в виде воды образуется на катодной стороне топливного элемента и отводится от нее.
Такие топливные элементы содержат протонообменую мембрану (ПОМ), заключенную между двумя пористыми электродами, а вместе они образуют мембранно-электродный блок (МЭБ). Сам МЭБ обычно заключен между: (i) катодной диффузионной структурой, имеющей первую поверхность, примыкающую к поверхности катода МЭБ, и (ii) анодной диффузионной структурой, имеющей первую поверхность, примыкающую к поверхности анода МЭБ. Вторая поверхность анодной диффузионной структуры контактирует с анодной пластиной, полям потока текучей среды, для токосъема и для распределения водорода ко второй поверхности анодной диффузионной структуры. Вторая поверхность катодной диффузионной структуры контактирует с катодной пластиной поля потока текучей среды, для токосъема, для распределения кислорода ко второй поверхности катодной диффузионной структуры и для выделения избыточной воды из МЭБ. Анодная и катодная пластины поля потока текучей среды обычно содержат, каждая из них, жесткий, электропроводный материал, имеющий проточные каналы текучей среды в поверхности, примыкающей к соответствующей диффузионной структуре для подачи газов-реагентов (например, водорода и кислорода) и отвода отходящих газов (например, неиспользованного кислорода и водяного пара).
Важным соображением в работе таких топливных элементов является управление водой внутри МЭБ. Во время работы топливного элемента с ПОМ вода, получаемая в результате реакции между водородом и кислородом, образуется в местах катализа в МЭБ. Эта вода должна отводиться из МЭБ через катодную диффузионную структуру одновременно с транспортировкой кислорода к катодной стороне МЭБ. Вместе с тем важно также, чтобы МЭБ оставался достаточно гидратированным, чтобы гарантировать, что внутреннее электрическое сопротивление элемента остается в допустимых пределах. Сбой в управлении увлажнением приводит к пятнам нагрева и потенциальному отказу элемента и/или неудовлетворительной электрической рабочей характеристике элемента.
Ключевой функцией во время электрохимической реакции между водородом и кислородом является процесс миграции протонов через ПОМ. Этот процесс миграции протонов будет происходить лишь тогда, когда твердотельная ПОМ достаточно гидратирована. Если вода присутствует в недостаточном количестве, характеристики сопротивления мембраны воде будут ограничивать процесс миграции протонов, приводя к увеличению внутреннего сопротивления элемента. При насыщении ПОМ водой возникает вероятность, что избыточная вода «просочится» в электродную часть МЭБ и ограничит доступ газа к так называемой поверхности раздела трехфазной реакции. Оба эти события оказывают негативное влияние на рабочей характеристике топливного элемента в целом.
Хотя вода образуется на катоде как часть реакции топливного элемента, существенным является поддержание водного баланса по всему МЭБ. Если сухой воздух вводится в элемент, то существует тенденция к созданию несбалансированного распределения воды по мембране, вследствие чего область вокруг впускного отверстия оказывается суше, чем другие. В конце концов, это может выразиться в возникновении механического напряжения в мембране и привести к неравномерному распределению тока, причем оба эти последствия могут привести к преждевременному отказу. Чтобы учесть это, современная технология предусматривает предварительное увлажнение потока воздуха перед его подачей в активную часть топливного элемента. Это привносит сложность в систему и зачастую может оказаться непрактичным для некоторых приложений топливных элементов.
В топливных элементах с открытыми катодами катодные пластины поля потока текучей среды открыты для окружающего воздуха, чему обычно способствует такой источник воздуха пониженного давления, как вентилятор, который выполняет двойную функцию - охлаждение пакетов и подача кислорода. Это обеспечивает очень простую систему топливного элемента, конструкция которой позволяет предотвратить большие паразитные потери (т.е. большое потребление электрической мощности системами, несущими топливные элементы), обычно связанные с пакетом топливных элементов, в котором используется герметизированный катод и увлажняющая подсистема. Вместе с тем двойное назначение потока воздуха (и для подачи кислорода, и для воздушного охлаждения) может привести к конфликту в требованиях к воздушному потоку. Для охлаждения требуется очень большой поток через катодные электроды стехиометрического количества воздуха, а это - в зависимости от окружающих условий и температуры пакета - может привести к низкому содержанию воды в мембране (приводящему к низкой эффективности) или, в экстремальных случаях, к непрерывным чистым потерям воды из пакета топливных элементов со временем, которые, в конечном счете, приведут к прекращению выполнения пакетом своих функций. Это происходит потому, что для заданного уровня выходной мощности (плотности тока) пакета будет достигаться баланс между содержанием воды полимерных мембран топливных элементов и скоростью отвода воды потоком воздуха. Более теплый пакет, меньший током и сильный потоком воздуха будут приводить к уменьшению содержания воды в мембране, и наоборот, более холодный пакет, более сильный ток и более слабый поток воздуха будут увеличивать содержание воды в мембране.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию топливного элемента и стратегию управления для преодоления или, по меньшей мере, смягчения, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых недостатков.
В соответствии с одним аспектом в настоящем изобретении предложен блок электрохимических топливных элементов, содержащий
пакет топливных элементов, содержащий некоторое количество топливных элементов, каждый из которых содержит мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, и
контроллер мощности пакета для периодического и временного увеличения тока, снимаемого с пакета топливных элементов, помимо или вместо независимого потребления тока, которое является внешним по отношению к упомянутому блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации для увеличения уровня гидратации топливных элементов.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен блок электрохимических топливных элементов, содержащий
пакет топливных элементов, содержащий некоторое количество топливных элементов, каждый из которых содержит мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета,
контроллер пакета для модуляции воздушного потока через пакет топливных элементов на периодической основе независимо от потребления тока в блоке пакета топливных элементов для обеспечения интервалов регидратации, которые увеличивают уровень гидратации топливных элементов, и
средства поддержания потребления тока нагрузкой, внешней по отношению к упомянутому блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации блока электрохимических топливных элементов, содержащего пакет топливных элементов, включающий в себя некоторое количество топливных элементов, каждый из которых содержит мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, при этом способ включает в себя этапы, на которых
периодически и временно увеличивают ток, снимаемый с пакета топливных элементов, независимо от потребления тока, которое является внешним по отношению к упомянутому блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации для увеличения уровня гидратации топливных элементов и
поддерживают потребление тока нагрузкой, внешней по отношению к упомянутому блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации.
В соответствии с еще одним аспектом в настоящем изобретении предложен способ эксплуатации блока электрохимических топливных элементов, содержащего пакет топливных элементов, включающий в себя некоторое количество топливных элементов, каждый из которых содержит мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, при этом способ включает в себя этапы, на которых
модулируют воздушный поток через пакет топливных элементов на периодической основе независимо от потребления тока в блоке пакета топливных элементов для обеспечения интервалов регидратации, увеличивающих уровень гидратации топливных элементов, и одновременно поддерживают потребление тока нагрузкой, внешней по отношению к блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации.
В общем аспекте в изобретении предложен блок электрохимических топливных элементов, в котором один или более рабочих параметров, например, протекания электрического тока из пакета топливных элементов и воздушного потока в этот пакет внутри блока периодически модулируются в течение интервалов регидратации для прерывистого увеличения уровней гидратации пакета топливных элементов независимо от потребления электрического тока, вырабатываемого в упомянутом блоке топливных элементов, нагрузкой, внешней для этого блока топливных элементов. В течение интервала регидратации поддерживается подача электрического тока во внешнюю нагрузку.
Теперь, в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, при этом:
на фиг.1 представлен график, иллюстрирующий потенциал элемента как функцию времени для обычной работы в установившемся режиме топливного элемента по сравнению с работой при пульсирующем токе топливного элемента для двух разных интервалов повторения импульсов;
на фиг.2 представлен график, иллюстрирующий мгновенный и усредненный потенциал элемента как функцию времени для обычной работы в установившемся режиме топливного элемента по сравнению с работой при пульсирующем токе;
на фиг.3 представлена условная схема блока питания на основе электрохимических топливных элементов для воплощения алгоритма работы при пульсирующем токе;
на фиг.4 представлен график, иллюстрирующий напряжение пакета и ток пакета как функцию времени перед импульсом гидратации пакета, во время этого импульса и после него, и
на фиг.5 представлен график, иллюстрирующий сравнительное улучшение рабочей характеристики топливного элемента для работы при пульсирующем токе в (i) топливном элементе с однослойным катодным диффузором и (ii) топливном элементе с многослойным катодным диффузором.
В изобретении предложено временное нарушение равновесия (которое может определяться существующими рабочими условиями пакета топливных элементов) содержания воды в мембране и скорости отвода воды для достижения большего кпд пакета и системы. Эта процедура предусматривает образование избыточной воды у катода топливного элемента за короткие периоды времени и последующую эксплуатацию пакета с улучшенной рабочей характеристикой при постепенном восстановлении равновесия с меньшим содержанием воды. При необходимости этот процесс можно повторять с определенными частотами интервалов.
Короткие периоды времени, в течение которых образуется избыточная вода, называются в этом описании «интервалами регидратации», и этот термин предназначен для указания периода времени, в течение которого блок топливных элементов активно управляет своей рабочей средой, преднамеренно увеличивая уровни гидратации, чтобы сделать их выше уровня, который в противном случае превалировал бы на основе электрической нагрузки, внешней по отношению к топливному элементу, и его окружающих рабочих условий, таких, как температура. Этого процесса регидратации можно достичь одним или обоими нижеследующими методами:
а) эксплуатацией топливного элемента с большей выходной мощностью, чем при «нормальных» рабочих условиях, определяемых прикладываемой нагрузкой, внешней по отношению к блоку топливных элементов, вследствие чего образуется избыточная вода за счет электрохимической реакции, и
б) модуляцией или кратковременной остановкой движения объема (кратковременным прекращением расхода) воздуха через топливный элемент для минимизации процесса отвода воды.
Основным преимуществом этой процедуры является улучшенная рабочая характеристика при нормальных рабочих условиях, получаемая благодаря более высокому напряжению элемента, что дает повышенный кпд преобразования энергии. Это приводит к меньшей рабочей температуре пакета, что может продлить ожидаемый срок службы мембраны. Выгодные эффекты процесса регидратации, описанные здесь, наиболее очевидны во время запуска блока топливных элементов. Это, в частности, случай кондиционирования вновь создаваемого топливного элемента, когда процесс регидратации может улучшить отклик пакета не кондиционированных топливных элементов на немедленные большие нагрузки.
Вторым преимуществом является создание пакетов топливных элементов (с открытыми катодами), охлаждаемых воздухом, для работы в широком диапазоне условий окружающей среды, в частности условиях повышенной температуры и пониженной влажности. В системе топливных элементов, в которой используется пакет с открытыми катодами, обычно единственным способом регулирования содержания воды в мембране топливного элемента является изменение воздушного потока, подаваемого охлаждающим вентилятором, при этом увеличение воздушного потока будет приводить к меньшей температуре пакета, и наоборот, меньший поток воздуха будет приводить к нагреву пакета. Вместе с тем, в зависимости от влажности окружающего воздуха, любое из этих воздействий может на самом деле привести к дополнительным потерям воды из пакета. В изобретении предлагается встраивание пакета топливных элементов в систему с аппаратными средствами и операционным контроллером для обеспечения регидратации, не зависящей непосредственно от рабочих условий окружающей среды и внешней нагрузки, с целью поддержания более оптимальной рабочей характеристики.
На фиг.1 показано влияние периодического и временного увеличения тока, снимаемого с топливного элемента, выше его базовой нагрузки, до большего тока. В данном случае пакет работал при базовой нагрузке 320 мА/см2. Эту базовую нагрузку можно рассматривать как такую, которая определяется потреблением тока, внешним по отношению к блоку топливных элементов, вместе с непрерывной паразитной нагрузкой на пакет топливных элементов, обуславливаемой самим пакетом топливных элементов (т.е. схемами управления, вентиляторами и т.д.). Периодическое и временно увеличенное потребление тока в пакете топливных элементов происходило в виде импульсов тока, в которых ток пакета увеличивался до 900 мА/см2 за интервал регидратации приблизительно 5 секунд через интервалы величиной две и пять минут соответственно. Общее повышение кпд было основано на низшей теплотворной способности (НТС) Н2 при 50 градусах Цельсия и предполагает нулевой кпд в течение 5-секундного импульса регидратации при большой нагрузке.
Базовая нагрузка 320 мА/см2 в установившемся режиме приводит к напряжению элемента чуть выше 0,65 В, как показано линией 10 на фиг.1, и НТС 52,4%. Напряжение элемента при работе с интервалами регидратации 5 секунд, наступающими через каждые 2 минуты, задается линией 11 на фиг.1. Это соответствует рабочему циклу регидратации примерно 4,2% и дает НТС на уровне 57,6%. Напряжение на элементе при работе с интервалами регидратации 5 секунд, наступающими через каждые 5 минут, задается линией 12 на фиг.1. Это соответствует рабочему циклу регидратации примерно 1,7% и дает НТС на уровне 57,2%.
На фиг.1 ясно видно непосредственное увеличение напряжения элемента после интервалов гидратации, и последующий спад. Улучшение рабочей характеристики будет зависеть от коэффициентов удержания воды для топливного элемента, в частности, характеристик полимерной мембраны и любых газодиффузионных слоев, содержащихся в ней, а также температуры пакета элементов и воздушного потока через него. Интервалы гидратации особенно эффективны при использовании совместно с усовершенствованными диффузионными средами, примыкающими к МЭБ, способствующими управлению уровнями воды в мембране и поддержанию этих уровней. Следовательно, это изобретение особенно выгодно, когда его используют совместно с многослойными диффузионными структурами, которые способствуют улавливанию воды, как в случае компоновки пакетов с открытыми катодами, описанной в патентной заявке 0501598.7 Соединенного Королевства и в соответствующей международной патентной заявке PCT/GB2006/000074. На фиг.5 показано сравнение между улучшениями в рабочей характеристике топливного элемента, наблюдаемыми при работе с пульсирующим током в (i) топливном элементе с однослойным катодным диффузором и (ii) топливном элементе с многослойным катодным диффузором. Верхний график демонстрирует напряжение элемента для конфигурации (ii), а нижний график демонстрирует напряжение элемента для конфигурации (i). Импульсы регидратации появляются через каждые десять минут.
Фиг.2 иллюстрирует эффект в реальном времени и усредненное напряжение элемента характерно для топливного элемента при наличии и отсутствии импульсов тока для регидратации. Ось напряжения элемента отображает среднее напряжение элемента по всему пакету, т.е. напряжение пакета, деленное на количество элементов в пакете. Верхняя прямая линия 20 иллюстрирует усредненное по времени напряжение элемента чуть выше 0,69 В, а верхний график 21 иллюстрирует мгновенное напряжение элемента, причем и упомянутая линия, и упомянутый график соответствуют режиму, в котором пакет работает с интервалами регидратации. Нижняя прямая линия 22 иллюстрирует усредненное по времени напряжение элемента чуть выше 0,65 В, а нижний график 23 иллюстрирует мгновенное напряжение элемента, причем и упомянутая линия, и упомянутый график соответствуют режиму, в котором пакет работает без интервалов регидратации. Следует отметить, что нижний график 23 демонстрирует ту же периодичность на частоте, отличающейся от частоты верхнего графика 21, потому что в обоих случаях происходит периодическая продувка анодов для очистки от воды, накапливающейся на анодной конфигурации, которая в остальное время является конфигурацией анодов с замкнутыми концами, и это является доминирующим фактором на нижнем графике 23. Анод с замкнутыми концами периодически переключается с переходом к конфигурации с разомкнутыми концами, чтобы сдуть воду с анода в течение примерно 1 секунды. Вместе с тем влияния интервалов регидратации совершенно очевидны из значительного увеличения среднего и мгновенного напряжений 20, 21 по сравнению с эквивалентными напряжениями 22, 23, полученными без интервалов регидратации.
Для использования влияния интервалов регидратации на систему топливных элементов требуется дополнительная система управления, описываемая в связи с фиг.3.
Блок 30 электрохимических топливных элементов содержит пакет 31 топливных элементов, имеющий некоторое количество топливных элементов 32, соединенных последовательно. Каждый топливный элемент 32 включает в себя мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя в соответствии с обычной конструкцией пакета топливных элементов. Электрический выход 33 обеспечивает вывод электрического тока из пакета 31. Охлаждающая система 34 такая, как вентилятор, обеспечивает охлаждение и воздушного потока, и кислорода, подаваемого в пластины потока текучей среды. Мощность из блока 30 топливных элементов подается на внешнюю нагрузку 41 посредством внешних выходных клемм 35 питания через реле 42 и 43.
Внутренняя электрическая нагрузка 36 переключается переключателем 37 под управлением контроллера 38 мощности для периодического и временного увеличения тока, снимаемого с пакета 31 топливных элементов. С выходными клеммами 35 через реле 43 соединен вспомогательный или «резервный» источник 39 питания для подачи мощности на выходные клеммы 35 питания в моменты, когда пакет 31 топливных элементов переключен на питание внутренней нагрузки 36. Схемой 40 управления нагрузкой и охлаждающей системой 34 также может управлять контроллер 38 мощности. Резервный источник 39 питания предпочтительно представляет собой аккумуляторную батарею, но можно использовать и любую другую форму подходящего устройства накопления зарядов такую, как суперконденсаторы. Схема 40 управления нагрузкой предпочтительно представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный ток.
При эксплуатации пакет 31 топливных элементов обычно переключен на питание внешней нагрузки 41, тогда как и внутренняя нагрузка 36, и резервный источник 39 питания электрически изолированы от пакета 31 топливных элементов и выходных клемм 35 питания.
Вместе с тем в течение интервалов регидратации контроллер 38 мощности открывает реле 42 и задействует переключатель 37 таким образом, что резервный источник 39 питания изолируется от пакета 31 топливных элементов, а ток из пакета 31 топливных элементов отводится на внутреннюю нагрузку 36. Чтобы при этом избежать прерывания подачи мощности на внешнюю нагрузку 41, контроллер 38 мощности поддерживает реле 43 в замкнутом состоянии для поддержания электрической целостности между резервным источником 39 питания и выходными клеммами 35 питания и тем самым - подачи мощности на внешнюю нагрузку 41. В конце интервала регидратации контроллер 39 задействует переключатель 37 и реле 42 для изоляции внутренней нагрузки 36 от пакета 31 топливных элементов и восстановления соединения пакета топливных элементов с выходными клеммами 41. В этот момент резервный источник 39 питания предпочтительно остается соединенным таким образом, что его можно перезаряжать током из пакета 31 топливных элементов. После надлежащего периода зарядки схема 40 управления нагрузкой может срабатывать, изолируя резервный источник 39 питания с помощью третьего реле 44. В альтернативном варианте резервный источник 39 питания можно просто оставлять всегда подсоединенным.
Таким образом, будет ясно, что пакет 31 топливных элементов является основным источником питания, а в течение интервала регидратации батарея 39 является единственным поставщиком мощности к внешней нагрузке 41. Когда пакет 31 топливных элементов снова оказывается подключенным, он способен полностью перезарядить батарею 39, а когда эта батарея становится полностью заряженной, подача тока в нее будет прекращена.
В эту компоновку можно внести различные изменения. Например, переключатель 37 не обязательно должен быть из семейства двухпозиционных переключателей, если не требуется изолировать пакет 31 топливных элементов и внутреннюю нагрузку 36 от внешней нагрузки 41 в течение интервала гидратации. Иными словами, если можно будет по-прежнему подавать требуемую мощность на внешнюю нагрузку 41 в течение интервала регидратации, то, в принципе, внутреннюю нагрузку 36 можно просто прибавлять к внешней нагрузке 41, по схеме параллельного соединения, в течение интервала регидратации. В этом случае резервный источник 39 питания может и не потребоваться, поскольку поддерживается протекание тока от пакета 31 топливных элементов к внешней нагрузке 41 даже в течение интервала регидратации. Аналогичным образом выходные клеммы 35 питания могут быть непосредственно соединены с пакетом 31 топливных элементов, внутренняя нагрузка 36, при необходимости, может быть выполнена подключаемой и отключаемой в первой параллельной схеме, а резервный источник 39 питания, при необходимости, может быть выполнен подключаемым и отключаемым с возможностью управления зарядкой во второй параллельной схеме.
Таким образом, вообще говоря, следует признать, что контроллер 38 управления мощностью пакета может использовать внутреннюю нагрузку 36 для периодического и временного увеличения тока, снимаемого с пакета топливных элементов, помимо или вместо независимого потребления тока, которое является внешним по отношению к блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации. Если потребуется, то можно использовать устройство управления мощностью для переключения внутренней нагрузки 36 на управляемой основе во избежание значительных переходных процессов при переключениях.
Интервалы регидратации также можно воплощать с помощью периодического временного уменьшения воздушного потока к катодам пакета 31 топливных элементов. Таким образом, контроллеру 38 мощности можно придать конфигурацию, обеспечивающую уменьшение питания охлаждающего вентилятора 34 в течение интервала регидратации. В предпочтительном варианте охлаждающий вентилятор отключают в течение интервала регидратации.
Таким образом, вообще говоря, контроллер 38 мощности пакета может модулировать воздушный поток через пакет 31 топливных элементов на периодической основе независимо от потребления электрического тока в пакете топливных элементов, для обеспечения интервалов регидратации, которые увеличивают уровень гидратации топливных элементов. Слово «независимо» в этом контексте предназначено для указания на независимость блок 30 топливных элементов от немедленных или переходных изменений во внешней электрической нагрузке 41.
В целях воплощения интервалов регидратации можно использовать и модуляцию воздуха, и увеличенную нагрузку. График согласно фиг.4 иллюстрирует профили тока и напряжения для этой операции. Верхний график 50 отображает напряжение пакета как функцию времени, а нижний график 51 отображает ток пакета как функцию времени.
В течение временного периода 52 (t=0-6 секунд) показана нормальная работа топливного элемента. В течение следующего временного периода 53 (t=0-10 секунд) охлаждающие вентиляторы 34, обеспечивающие воздушный поток к катоду, отключены, что вызывает рост температуры пакета. К концу этого периода времени наблюдается небольшое уменьшение напряжения элементов с соответствующим небольшим ростом тока для поддержания постоянной мощности вследствие ограничений по массопереносу. В момент, когда напряжение, подаваемое на преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, достигает величины напряжения клемм батареи 39, ток из топливного элемента уменьшается до нуля. В данном случае подача мощности на выходные клеммы 35 будет пополняться батареей 39.
Затем выход из пакета 31 топливных элементов изолируется размыканием реле 42 при минимальной электронной нагрузке, оставляя батарею 39 обеспечивающей непрерывную подачу мощности в приложение (например, на внешнюю нагрузку 41), реализуемую падением тока до нуля в период времени 54 (t~10-11 секунд). В момент t=11 секунд внутренний нагрузочный резистор 36 подключается к клеммам 33 пакета 31 топливных элементов, о чем свидетельствует всплеск 55. Это приводит к дополнительному электрическому нагружению пакета 31 топливных элементов в течение управляемого периода времени, а именно интервала 56 большого тока (t~11-12 секунд).
В течение этого интервала 56 большого тока происходит потребление окислителя, остающегося внутри проточных каналов текучей среды пакета 31 топливных элементов, а напряжение на клеммах пакета снижается до 0 В. При отсутствии вентиляторов 34, отсасывающих побочный продукт в виде воды, на границе раздела МЭБ и газодиффузионного слоя каждого элемента 32 остается избыточная вода. По истечении интервала 56 большого тока пакет 31 топливных элементов оказывается изолированным от всей электрической нагрузки в течение интервала 57 изоляции электрической нагрузки (t=12-16 секунд). В течение этого интервала изоляции протекание тока является нулевым, а напряжение 50 пакета возвращается к пику в момент 58 (t=16 секунд). В течение интервала 59 времени повторного соединения (t~6-18 секунд) мощность из пакета 31 снова задействуется управляемым образом с помощью цифрового управления и подается в преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток для постепенного увеличения уставки предела тока. В момент 60 топливный элемент полностью задействован и начинает перезаряжать батарею 39 (в момент t=18 секунд). Топливный элемент перезаряжает батарею, а также подает мощность на внешнюю нагрузку 41 в течение следующего периода 61 времени. Ток постепенно падает по мере приближения батареи 39 к состоянию полной зарядки.
По истечении подходящего интервала времени, например от 2 до 5 минут, инициируется следующая операция регидратации (не показанная на фиг.4). Можно использовать любой подходящий интервал времени, который эффективен для обеспечения полезного среднего увеличения напряжения элемента. В зависимости от условий окружающей среды таких, как температура и влажность, и от того, работает ли топливный элемент под постоянной фиксированной или переменной нагрузкой, интервал времени может быть коротким, составляя 1 минуту, или длинным, составляя, например, 2 часа.
Оптимальная частота операции регидратации может зависеть от ряда факторов, включая атмосферные условия, такие, как температура и влажность. Когда используется многослойный катодный газодиффузионный слой, то оказываются возможными значительно большее повышение электрохимической рабочей характеристики и более длительный период времени возврата рабочей характеристики топливного элемента к равновесному уровню по сравнению с компоновками, предусматривающими единственный газодиффузионный слой. Это также случай использования метода, предусматривающего применение пакетов с открытыми катодами в противоположность обычным герметизированным катодам, причем в последнем случае принудительное направление воздушного потока по каналам приводит к быстрому отводу избыточной воды.
Операции регидратации предпочтительно выполняются автоматически на основе фиксированной периодичности. Вместе с тем следует понять, что можно использовать и дополнительный алгоритм управления для переключения блока 30 топливных элементов между нормальным режимом, в котором операции регидратации не проводятся, и режимом с регидратацией, в котором проводятся периодические и временные операции регидратации. Периодичностью операций регидратации можно управлять в соответствии с некоторым измеряемым параметром пакета, таким, как средняя температура, влажность, профиль напряжения, профиль тока и потребление мощности, и т.д. Рабочим циклом интервалов регидратации можно управлять в соответствии с некоторыми измеряемыми параметрами пакета, такими, как средняя температура, влажность, профиль напряжения, профиль тока и потребление мощности, и т.д. В предпочтительном варианте в течение интервала 57 изоляции происходит съем нулевого тока, но должно быть ясно, что возможен и съем малого тока. В некоторых вариантах осуществления интервал изоляции может и не потребоваться.
Другие варианты осуществления следует считать находящимися в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.
1. Блок электрохимических топливных элементов, содержащий пакет топливных элементов, содержащий множество топливных элементов, каждый из которых включает в себя мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, и
контроллер мощности пакета, содержащий переключаемое нагрузочное устройство и выполненный с возможностью периодического и временного увеличения тока, снимаемого с пакета топливных элементов, в дополнение или вместо независимого потребления тока, которое является внешним по отношению к упомянутому блоку топливных элементов, путем пропускания тока из пакета топливных элементов через переключаемое нагрузочное устройство в течение интервалов регидратации для увеличения уровня гидратации топливных элементов.
2. Блок по п.1, дополнительно включающий в себя резервный источник питания, подключенный к внешним выходным клеммам питания упомянутого блока топливных элементов, в котором контроллер мощности пакета выполнен с возможностью электрической изоляции электрического выхода пакета топливных элементов от внешних выходных клемм питания в течение интервалов регидратации.
3. Блок по п.1, дополнительно включающий в себя резервный источник питания, подключенный к внешним выходным клеммам питания упомянутого блока топливных элементов, и устройство управления нагрузкой для управляемой подачи тока к внешним выходным клеммам питания от резервного источника питания и/или пакета топливных элементов.
4. Блок по п.2 или 3, в котором резервный источник питания представляет собой аккумуляторную батарею.
5. Блок по п.1, в котором контроллер мощности пакета выполнен с возможностью реализации интервалов регидратации в регулярные моменты времени.
6. Блок по п.1 или 5, в котором контроллер мощности пакета выполнен с возможностью реализации интервалов регидратации в ответ на нахождение параметра пакета топливных элементов в пределах порогового критерия.
7. Блок по п.1, в котором контроллер мощности пакета выполнен с возможностью реализации интервалов регидратации, каждый из которых включает в себя интервал большого тока, на котором ток, снимаемый с пакета топливных элементов, больше, чем при нормальном потреблении рабочего тока, и интервал изоляции, на котором ток, снимаемый с пакета топливных элементов, меньше, чем при нормальном потреблении рабочего тока.
8. Блок по п.7, в котором контроллер выполнен с возможностью электрической изоляции пакета топливных элементов в течение интервала изоляции.
9. Блок по п.3, в котором устройство управления нагрузкой выполнено с возможностью линейно нарастающей подачи мощности из пакета топливных элементов на внешние выходные клеммы питания управляемым образом после интервала регидратации.
10. Блок по п.1, в котором контроллер мощности пакета выполнен с возможностью модуляции воздушного потока через пластины потока текучей среды пакета топливных элементов в течение интервала регидратации.
11. Блок электрохимических топливных элементов, содержащий пакет топливных элементов, содержащий множество топливных элементов, каждый из которых включает в себя мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, контроллер пакета, выполненный с возможностью модуляции воздушного потока через пакет топливных элементов на периодической основе независимо от потребления тока в блоке пакета топливных элементов для обеспечения интервалов регидратации, которые увеличивают уровень гидратации топливных элементов, и
средства поддержания потребления тока нагрузкой, внешней по отношению к блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации.
12. Способ эксплуатации блока электрохимических топливных элементов с пакетом топливных элементов, содержащим множество топливных элементов, каждый из которых включает в себя мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, при этом способ включает в себя этапы, на которых периодически и временно увеличивают ток, снимаемый с пакета топливных элементов, независимо от потребления тока, которое является внешним по отношению к блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации, для увеличения уровня гидратации топливных элементов, путем пропускания тока из пакета топливных элементов через переключаемое нагрузочное устройство в указанном блоке топливных элементов, и поддерживают потребление тока нагрузкой, внешней по отношению к блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации.
13. Способ по п.12, в котором этап поддержания потребления тока нагрузкой в течение интервалов регидратации предусматривает использование резервного источника питания.
14. Способ эксплуатации блока электрохимических топливных элементов с пакетом топливных элементов, содержащим множество топливных элементов, каждый из которых включает в себя мембранно-электродный блок и пластины потока текучей среды, для подачи в них топлива и окислителя, и электрический выход для вывода тока из пакета, при этом способ включает в себя этапы, на которых
модулируют воздушный поток через пакет топливных элементов на периодической основе независимо от потребления тока в блоке с пакетом топливных элементов, для обеспечения интервалов регидратации, увеличивающих уровень гидратации топливных элементов, и одновременно поддерживают потребление тока нагрузкой, внешней по отношению к блоку топливных элементов, в течение интервалов регидратации.
15. Способ по п.14, в котором поддерживают потребление тока нагрузкой в течение интервалов регидратации с помощью резервного источника питания.
