RU2332753C2 - Терморегулирование в электрохимических топливных элементах - Google Patents
Терморегулирование в электрохимических топливных элементах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2332753C2 RU2332753C2 RU2005119301/09A RU2005119301A RU2332753C2 RU 2332753 C2 RU2332753 C2 RU 2332753C2 RU 2005119301/09 A RU2005119301/09 A RU 2005119301/09A RU 2005119301 A RU2005119301 A RU 2005119301A RU 2332753 C2 RU2332753 C2 RU 2332753C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- fuel cell
- fuel
- cooling circuit
- inlet
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 89
- 230000028016 temperature homeostasis Effects 0.000 title description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 109
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 claims description 8
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 2
- 238000013270 controlled release Methods 0.000 claims 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 claims 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 claims 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 4
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 239000003570 air Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 2
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000005374 Poisoning Diseases 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04126—Humidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
- H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Primary Cells (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
Claims (19)
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.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB0227263.1 | 2002-11-22 | ||
| GB0227263A GB2396688B (en) | 2002-11-22 | 2002-11-22 | Thermal energy management in electrochemical fuel cells |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005119301A RU2005119301A (ru) | 2006-01-27 |
| RU2332753C2 true RU2332753C2 (ru) | 2008-08-27 |
Family
ID=9948321
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005119301/09A RU2332753C2 (ru) | 2002-11-22 | 2003-11-20 | Терморегулирование в электрохимических топливных элементах |
Country Status (17)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7498094B2 (ru) |
| EP (1) | EP1565953B1 (ru) |
| JP (1) | JP2006507639A (ru) |
| KR (1) | KR101065648B1 (ru) |
| CN (1) | CN100352092C (ru) |
| AT (1) | ATE389954T1 (ru) |
| AU (1) | AU2003302208A1 (ru) |
| BR (1) | BR0316454B1 (ru) |
| CA (1) | CA2520371C (ru) |
| DE (1) | DE60319869T2 (ru) |
| ES (1) | ES2305572T3 (ru) |
| GB (1) | GB2396688B (ru) |
| MX (1) | MXPA05005511A (ru) |
| NO (1) | NO333622B1 (ru) |
| RU (1) | RU2332753C2 (ru) |
| WO (1) | WO2004049481A2 (ru) |
| ZA (1) | ZA200504072B (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496185C2 (ru) * | 2008-12-16 | 2013-10-20 | Импэкт Клин Пауэр Текнолоджи Спулка Акцыйна | Термостабилизированный модуль из электрических батарей |
| RU2584248C2 (ru) * | 2010-03-15 | 2016-05-20 | Электро Пауэр Системз С.П.А. | Генератор электрической мощности на топливных элементах и способ управления им |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2382455B (en) * | 2001-11-07 | 2004-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid flow field plates |
| GB2412784B (en) * | 2002-01-18 | 2006-08-23 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system |
| GB2390738B (en) * | 2002-07-09 | 2005-05-11 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell direct water injection |
| GB2401986B (en) * | 2003-05-17 | 2005-11-09 | Intelligent Energy Ltd | Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells |
| GB2409763B (en) | 2003-12-31 | 2007-01-17 | Intelligent Energy Ltd | Water management in fuel cells |
| GB2413002B (en) * | 2004-04-08 | 2006-12-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell gas distribution |
| GB2422716B (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-22 | Intelligent Energy Ltd | Multi-layer fuel cell diffuser |
| CN100502093C (zh) * | 2005-08-26 | 2009-06-17 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 一种可携式燃料电池 |
| KR100686830B1 (ko) | 2005-11-09 | 2007-02-26 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지 시스템 |
| GB2434845B (en) * | 2006-02-01 | 2010-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Variable compressibility gaskets |
| US8435689B2 (en) | 2006-10-23 | 2013-05-07 | Bloom Energy Corporation | Dual function heat exchanger for start-up humidification and facility heating in SOFC system |
| GB2464946B (en) * | 2008-10-30 | 2012-05-16 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell cooling |
| FR2941092A1 (fr) * | 2009-01-13 | 2010-07-16 | Dietrich Thermique | Circuit de securite comportant une charge de dissipation thermique pour une pile a combustible |
| FR2959354B1 (fr) | 2010-04-23 | 2012-07-13 | Inst Francais Du Petrole | Procede de cogeneration d'energie mecanique-electrique et de chaleur |
| KR102051280B1 (ko) * | 2012-03-12 | 2019-12-03 | 누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨 | 연료 전지와 함께 사용하기 위한 냉각 시스템 및 방법 |
| KR101708841B1 (ko) * | 2015-02-09 | 2017-02-21 | 주식회사 두산 | 연료전지용 연료처리장치 및 연료전지 시스템 |
| KR101734689B1 (ko) | 2015-10-15 | 2017-05-24 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량의 냉각 시스템 |
| GB2568893B (en) * | 2017-11-29 | 2020-03-25 | Intelligent Energy Ltd | A cooling module for a fuel cell system |
| CN110649280A (zh) * | 2019-09-26 | 2020-01-03 | 上海电气集团股份有限公司 | 燃料电池热电联供系统及装置 |
| DE102020207746A1 (de) * | 2020-06-23 | 2021-12-23 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Wärmeübertrag im Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems mittels Verdampfung/Kondensation von Produktwasser |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60124366A (ja) | 1983-12-08 | 1985-07-03 | Agency Of Ind Science & Technol | 燃料電池発電装置 |
| US5366818A (en) * | 1991-01-15 | 1994-11-22 | Ballard Power Systems Inc. | Solid polymer fuel cell systems incorporating water removal at the anode |
| JPH0529012A (ja) * | 1991-04-01 | 1993-02-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池および排ガス系熱回収方法 |
| JP3071321B2 (ja) * | 1992-03-26 | 2000-07-31 | 大阪瓦斯株式会社 | りん酸形燃料電池発電装置 |
| JP4552236B2 (ja) * | 1997-12-22 | 2010-09-29 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池装置 |
| US6015634A (en) * | 1998-05-19 | 2000-01-18 | International Fuel Cells | System and method of water management in the operation of a fuel cell |
| JP2000018718A (ja) * | 1998-06-24 | 2000-01-18 | Mitsubishi Electric Corp | 発電機能付き温水器 |
| JP4288721B2 (ja) * | 1998-07-10 | 2009-07-01 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池システム |
| JP2000082477A (ja) * | 1998-09-04 | 2000-03-21 | Toshiba Corp | 燃料電池発電プラント |
| JP2000185356A (ja) | 1998-12-22 | 2000-07-04 | Toyoda Gosei Co Ltd | 二色表皮自動車内装品 |
| JP3403667B2 (ja) | 1999-05-25 | 2003-05-06 | 松下電器産業株式会社 | 固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステム |
| JP4513168B2 (ja) * | 2000-05-15 | 2010-07-28 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池装置と給湯装置のコンバインシステム |
| EP1168476B1 (en) * | 2000-06-20 | 2009-04-15 | Kurita Water Industries Ltd. | Fuel cell power generating system and operation method |
| JP4660889B2 (ja) * | 2000-06-20 | 2011-03-30 | 栗田工業株式会社 | 燃料電池発電システムおよびその運転方法 |
| JP2002075427A (ja) * | 2000-09-05 | 2002-03-15 | Toyota Industries Corp | 燃料電池発電システム |
| US6861169B2 (en) * | 2001-05-09 | 2005-03-01 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Cogeneration of power and heat by an integrated fuel cell power system |
| US6777120B2 (en) * | 2001-05-23 | 2004-08-17 | General Motors Corporation | Relative humidity sensor with compensation for changes in pressure and gas composition |
| US20030064262A1 (en) * | 2001-05-31 | 2003-04-03 | Plug Power Inc. | Method and apparatus for controlling a combined heat and power fuel cell system |
| CA2406331C (en) * | 2002-10-01 | 2009-12-22 | Long Manufacturing Ltd. | Thermal management system |
-
2002
- 2002-11-22 GB GB0227263A patent/GB2396688B/en not_active Expired - Fee Related
-
2003
- 2003-11-20 EP EP03811803A patent/EP1565953B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2003-11-20 MX MXPA05005511A patent/MXPA05005511A/es active IP Right Grant
- 2003-11-20 CA CA2520371A patent/CA2520371C/en not_active Expired - Fee Related
- 2003-11-20 JP JP2004554662A patent/JP2006507639A/ja active Pending
- 2003-11-20 US US10/535,532 patent/US7498094B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2003-11-20 BR BRPI0316454-3A patent/BR0316454B1/pt not_active IP Right Cessation
- 2003-11-20 DE DE60319869T patent/DE60319869T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2003-11-20 KR KR1020057009248A patent/KR101065648B1/ko active IP Right Grant
- 2003-11-20 AU AU2003302208A patent/AU2003302208A1/en not_active Abandoned
- 2003-11-20 RU RU2005119301/09A patent/RU2332753C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2003-11-20 ES ES03811803T patent/ES2305572T3/es not_active Expired - Lifetime
- 2003-11-20 CN CNB2003801084625A patent/CN100352092C/zh not_active Expired - Lifetime
- 2003-11-20 AT AT03811803T patent/ATE389954T1/de not_active IP Right Cessation
- 2003-11-20 WO PCT/GB2003/005057 patent/WO2004049481A2/en active IP Right Grant
-
2005
- 2005-05-19 ZA ZA200504072A patent/ZA200504072B/en unknown
- 2005-05-20 NO NO20052427A patent/NO333622B1/no not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496185C2 (ru) * | 2008-12-16 | 2013-10-20 | Импэкт Клин Пауэр Текнолоджи Спулка Акцыйна | Термостабилизированный модуль из электрических батарей |
| RU2584248C2 (ru) * | 2010-03-15 | 2016-05-20 | Электро Пауэр Системз С.П.А. | Генератор электрической мощности на топливных элементах и способ управления им |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO20052427D0 (no) | 2005-05-20 |
| EP1565953A2 (en) | 2005-08-24 |
| ZA200504072B (en) | 2006-10-25 |
| KR101065648B1 (ko) | 2011-09-20 |
| US7498094B2 (en) | 2009-03-03 |
| KR20050085118A (ko) | 2005-08-29 |
| JP2006507639A (ja) | 2006-03-02 |
| ES2305572T3 (es) | 2008-11-01 |
| WO2004049481A2 (en) | 2004-06-10 |
| AU2003302208A8 (en) | 2004-06-18 |
| CA2520371C (en) | 2011-09-27 |
| BR0316454B1 (pt) | 2012-06-12 |
| DE60319869D1 (de) | 2008-04-30 |
| NO20052427L (no) | 2005-06-20 |
| MXPA05005511A (es) | 2005-11-17 |
| GB2396688A (en) | 2004-06-30 |
| DE60319869T2 (de) | 2009-03-05 |
| US20060257699A1 (en) | 2006-11-16 |
| BR0316454A (pt) | 2005-10-11 |
| WO2004049481A8 (en) | 2004-08-19 |
| GB2396688B (en) | 2006-06-28 |
| NO333622B1 (no) | 2013-07-22 |
| AU2003302208A1 (en) | 2004-06-18 |
| RU2005119301A (ru) | 2006-01-27 |
| GB0227263D0 (en) | 2002-12-31 |
| ATE389954T1 (de) | 2008-04-15 |
| EP1565953B1 (en) | 2008-03-19 |
| WO2004049481A3 (en) | 2005-04-21 |
| CN100352092C (zh) | 2007-11-28 |
| CN1735989A (zh) | 2006-02-15 |
| CA2520371A1 (en) | 2004-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2332753C2 (ru) | Терморегулирование в электрохимических топливных элементах | |
| US8304123B2 (en) | Ambient pressure fuel cell system employing partial air humidification | |
| US6699612B2 (en) | Fuel cell power plant having a reduced free water volume | |
| KR100534161B1 (ko) | 연료 전지 시스템 | |
| US7267900B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP4917005B2 (ja) | 水除去、凍結耐久性、パージエネルギー効率及び停止／始動サイクルに起因した電圧劣化の改善 | |
| US7037610B2 (en) | Humidification of reactant streams in fuel cells | |
| US7531259B2 (en) | Fuel cell cooling and water management system | |
| JPH06338334A (ja) | 燃料電池の冷却板及び冷却システム | |
| JP2011522359A (ja) | 作動効率の改善された燃料電池発電設備 | |
| JP2004171974A (ja) | 燃料電池システム | |
| WO2014111686A1 (en) | Fuel cell system | |
| WO2011129797A1 (en) | Condenser-free fuel cell backup power system | |
| JP2004152725A (ja) | 燃料電池の加湿装置 | |
| JPH10154522A (ja) | リン酸型燃料電池燃料極における自立的リン酸の補給方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161121 |