RU2355072C1 - Батарея топливных элементов - Google Patents
Батарея топливных элементов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2355072C1 RU2355072C1 RU2007136316/09A RU2007136316A RU2355072C1 RU 2355072 C1 RU2355072 C1 RU 2355072C1 RU 2007136316/09 A RU2007136316/09 A RU 2007136316/09A RU 2007136316 A RU2007136316 A RU 2007136316A RU 2355072 C1 RU2355072 C1 RU 2355072C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- channels
- anode
- battery
- membrane
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах и может найти применение при создании автономных источников питания мощностью до 10 кВт и выше. Согласно изобретению, батарея топливных элементов содержит мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости. Батарея выполнена в виде цилиндра, охваченного диэлектрическим корпусом в форме трубы, мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты имеют в плане форму круга. Биполярные сборки состоят из примыкающих друг к другу катодной, средней и анодной металлических пластин. Катодная и анодная пластины снабжены каналами для подвода катодного газа к катодной и анодного газа к анодной поверхностям мембранно-электродных сборок, а средняя пластина снабжена каналами для протока охлаждающей жидкости, каналы катодной пластины имеют в плане форму спиралей, каналы анодной пластины - форму полуокружностей и каналы средней пластины - форму дугообразных прорезей, причем коллектором входа катодного газа является центральный канал, коллектор выхода катодного газа выполнен в виде щелевидного канала, размещенного вдоль образующей корпуса батареи с выходным отверстием в торцевой плите, коллекторы входа и выхода анодного газа и охлаждающей жидкости также выполнены в виде щелевидных каналов, размещенных оппозитно вдоль образующих корпуса батареи с входными и выходными отверстиями в одной или обеих торцевых плитах. Каналы на поверхности анодных и катодных пластин биполярных сборок могут быть выполнены штамповкой, а торцевые плиты батареи могут быть электрически соединены с токовыводящими электродами, а диэлектрический корпус может быть снабжен элементами для восприятия радиальных и осевых усилий от избыточного давления газа. Техническим результатом является простая в технологическом отношении батарея топливных элементов автономного источника питания для питания аппаратуры средней и малой мощности, уменьшение габаритов и повышение эксплуатационных характеристик источника питания при работе мембранно-электродной сборки топливных элементов на водороде и воздухе. 2 з.п. ф-лы,
4 ил.
Description
Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах, и может найти применение при создании батареи топливных элементов для автономных источников питания мощностью до 10 кВт и выше.
Известно устройство, содержащее сборку топливных элементов, емкости для хранения водорода, кислорода, воды и систему трубопроводов, объединяющую указанные составляющие (см. патент США №5506066, МКИ 6 Н01М 8/04).
К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно сложную конструкцию известного устройства, связанную с наличием в нем газожидкостного сепаратора, основной и дополнительной емкости для воды и батареи электролизных элементов.
Наиболее близким техническим решением является батарея топливных элементов, содержащая мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, токовыводящие электроды и средства для герметизации и соединения указанных элементов (см. заявку на изобретение РФ №2004104350, МПК 7 H01M 8\02, дата публикации 27.03.2005 г. - прототип).
Особенностью известного устройства является то, что батарея топливных элементов включает анодное впускное отверстие для входа в него потока топлива, катодное впускное отверстие для входа в него потока кислорода, катодный выход для выведения катодного отработанного газа, канал хладоагента для его направления через батарею топливных элементов и интегрированный блок теплообменника, содержащий конденсатор катодного отработанного газа и охладитель батареи топливных элементов, установленные рядом друг с другом для их охлаждения общим охлаждающим потоком воздуха.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции прямоугольных в плане мембранно-электродных и биполярных сборок, снабженных каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, выполненных в виде элементов меандра, а также сравнительно сложная система средств для герметизации и соединения указанных элементов.
Решаемой задачей является создание сравнительно простой в технологическом отношении батареи топливных элементов автономного источника питания для питания аппаратуры средней и малой мощности. Дополнительной к указанной является задача повышения эксплуатационных характеристик и уменьшения габаритов источника питания при работе батареи топливных элементов на водороде и воздухе.
Указанная задача решается тем, что в батарее топливных элементов, содержащей мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, токовыводящие электроды и средства для герметизации и соединения указанных элементов, согласно изобретению, батарея топливных элементов выполнена в виде цилиндра, охваченного диэлектрическим корпусом в форме трубы, мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты батареи имеют в плане форму круга, каждая из биполярных сборок состоит из примыкающих друг к другу катодной, средней и анодной металлических пластин, указанные катодная и анодная пластины снабжены каналами для подвода катодного газа к катодной и анодного газа к анодной поверхности мембранно-электродных сборок, а средняя пластина снабжена каналами для протока охлаждающей жидкости между катодной и анодной пластинами, каналы катодной пластины имеют в плане форму спиралей, каналы анодной пластины - форму полуокружностей и каналы средней пластины - форму дугообразных прорезей, причем коллектором входа катодного газа является центральный канал, пронизывающий мембранно-электродные и биполярные сборки и одну из торцевых плит, коллектор выхода катодного газа выполнен в виде щелевидного канала, размещенного вдоль образующей батареи внутри указанного диэлектрического корпуса с выходным отверстием в торцевой плите, коллекторы входа и выхода анодного газа и охлаждающей жидкости также выполнены в виде щелевидных каналов, размещенных оппозитно вдоль образующих батареи внутри указанного диэлектрического корпуса с входными и выходными отверстиями в одной или обеих торцевых плитах.
Кроме того, указанные каналы на поверхности анодных и катодных металлических пластин биполярных сборок могут быть выполнены штамповкой.
Кроме того, торцевые плиты батареи могут быть электрически соединены с токовыводящими электродами, а диэлектрический корпус может быть снабжен элементами восприятия радиальных и осевых усилий от избыточного давления газа.
Использование в предложенном устройстве цилиндрической батареи топливных элементов, дисковидных мембранно-электродных и биполярных сборок предложенной конструкции с торцевыми плитами, токовыводящими электродами и средствами для герметизации и соединения указанных элементов, которые размещены в диэлектрическом корпусе, позволяет в значительной степени упростить технологию изготовления батареи при сохранении основных технических параметров.
Выполнение каналов для подвода катодного и анодного газов штамповкой в катодной и анодной металлических пластинах биполярных сборок в форме спиралей, коаксиальных полуокружностей и каналов для подвода охлаждающей жидкости в средней металлической пластине в форме дугообразных прорезей, позволяет в значительной степени увеличить надежность и улучшить весогабаритные характеристики многосекционной батареи топливных элементов.
Указанное выполнение батареи топливных элементов способствует также повышению ее эксплуатационных характеристик. Кроме того, в предложенной батарее создаются условия для стабилизации электрохимических режимов работы мембранно-электродных сборок за счет более равномерного поступления анодного и катодного газов к активной поверхности протон-проводящих мембран.
На фиг.1 представлен продольный разрез батареи топливных элементов, на фиг.2(а, б, в) показана форма каналов на катодной, анодной и средней металлических пластинах биполярной сборки.
Батарея топливных элементов содержит мембранно-электродные сборки 1, показанные условно в виде сплошной жирной линии. Указанные сборки 1 выполнены на основе протон проводящих мембран, имеющих толщину 25-150 мкм. По обе стороны мембраны каждой из сборок 1 имеются скрепленные с ней газодиффузионные слои, выполненные, например, из нетканого или тканого углеграфитового материала толщиной в десятые доли мм. Таким образом, каждая из мембранно-электродных сборок 1 выполнена за одно целое в виде многослойной структуры.
Последовательно с мембранно-электродными сборками 1 установлены трехслойные биполярные сборки, каждая из которых может быть выполнена как один сварной узел. В состав каждой биполярной сборки входят анодная и катодная металлические пластины, обозначенные позициями 2, 3, имеющие каналы для подвода и отвода анодного, катодного газов.
Между указанными пластинами 2, 3 установлена средняя металлическая пластина 4 с каналами для протока охлаждающей жидкости. Указанные пластины, собранные в единый узел, герметизируются между собой, например, с помощью герметика или сваркой, соответственно, по внешнему и внутреннему контуру. В таком случае сварной шов отсутствует лишь в зонах входа и выхода воды в щелевые коллекторы подвода и отвода воды.
Устройство также содержит торцевые плиты 5, токовыводящие электроды 6 и средства для герметизации и соединения указанных элементов. Батарея топливных элементов выполнена в виде цилиндра, охваченного диэлектрическим корпусом 7 в форме трубы, имеющей продольный разрез для ее стяжки посредством намотки на ее внешнюю поверхность слоя 8 из прочных нитей. Диэлектрический корпус 7 также снабжен дополнительными кольцевыми фланцами 9, скрепленными с кожухом 10 и стягивающими фланцами 11 для восприятия осевых усилий от избыточного давления газа в рабочем объеме батареи.
Мембранно-электродные сборки 1, биполярные сборки и торцевые плиты 4 батареи имеют в плане форму круга. Каналы для подвода катодного газа к катодной поверхности каждой из мембранно-электродных сборок 1 расположены вдоль примыкающей поверхности катодной металлической пластины 3 биполярной сборки и имеют в плане форму спиралей (см. фиг.2а). Каналы для подвода анодного газа к анодной поверхности каждой из мембранно-электродных сборок 1 расположены вдоль примыкающей поверхности анодной металлической пластины 2 биполярной сборки и имеют в плане форму полуокружностей (см. фиг.2б).
Каналы для протока охлаждающей жидкости расположены в средней металлической пластине 4 каждой из биполярных сборок и имеют форму дугообразных прорезей (см. фиг.2в). Металлические пластины 2, 3, 4 биполярной сборки и торцевые плиты 5 могут быть выполнены из титана или нержавеющей стали, а электроды 6 - из меди.
Коллектором входа катодного газа является центральный канал 12, пронизывающий указанные мембранно-электродные и биполярные сборки и одну из торцевых плит 5. Коллектор выхода катодного газа выполнен в виде щелевидного канала 13, размещенного вдоль образующей батареи внутри указанного диэлектрического корпуса 7. В торцевой плите 5 имеются входное и выходное отверстия 14, 15.
Коллекторы входа и выхода анодного газа и охлаждающей жидкости также выполнены в виде щелевидных каналов 16, размещенных оппозитно вдоль образующих батареи внутри указанного диэлектрического корпуса 7, которые также снабжены входными и выходными отверстиями 17, 18, 19, 20 в одной или обеих торцевых плитах 5.
Указанные каналы на поверхности анодных и катодных металлических пластин 2, 3 биполярных сборок могут быть выполнены штамповкой, а торцевые плиты 5 батареи могут быть электрически соединены с токовыводящими электродами 6.
Герметизация мембранно-электродных сборок 1 и пластин 2, 3, 4 биполярных сборок между собой и относительно друг друга в направлении оси батареи осуществляется, преимущественно, с помощью тонких резиновых прокладок в периферийной и осевой части указанных сборок. Герметизация щелевидных каналов 13, 16 и патрубков в отверстиях 14, 15, 17, 18, 10, 20 осуществляется, как правило, с помощью герметика или клея. Батарея топливных элементов, благодаря указанному выполнению биполярных и мембранно-электродных сборок, а также интегрированных в ней средств для их герметизации и соединения, может быть выполнена на выходную электрическую мощность до 10 кВт и выше. В батарее используется водород и воздух давлением около 0,2 МПа и химически очищенная вода.
Устройство функционирует следующим образом.
До сборки батареи топливных элементов осуществляют сборку и герметизацию мембранно-электродных сборок 1 и биполярных сборок из указанных металлических пластин 2, 3, 4. Затем с помощью соответствующей оснастки (не показана) собирают и герметизируют в общий пакет в нужном порядке следования указанные сборки, торцевые плиты 5, токовыводящие электроды 6 и диэлектрический корпус 7. Осуществляют стяжку корпуса 7 слоем прочных нитей 8, формируя герметичные щелевидные каналы 13, 16. С помощью кольцевых фланцев 9, кожухов 10 и стягивающих фланцев 11 обеспечивают окончательную сборку батареи. Отверстия 14, 15, 17, 18, 10, 20 оснащают выводными патрубками для подвода и отвода воды, водорода и воздуха от соответствующих систем. В соответствии с указанной конфигурацией металлических пластин 2, 3 подвод анодного и катодного газов к мембранно-электродным сборкам 1 осуществляется по внешним сторонам упомянутых отштампованных в пластинах 2, 3 каналов.
Одновременно охлаждающая вода проходит от входного к выходному щелевидному коллектору через дугообразные прорези в пластине 4, периодически поступая в указанные отштампованные каналы с внутренней стороны металлических пластин 2, 3 каждой биполярной сборки, обеспечивая тем самым их охлаждение.
Перед запуском батареи на рабочий режим, с помощью внешнего нагревателя (не показан), осуществляют подъем температуры охлаждающей воды до рабочих значений (55-60°С). Подключают системы подачи водорода и воздуха к батарее топливных элементов при указанных параметрах. После этого батарея топливных элементов выходит сначала на режим холостого хода, а при подключении потребителя - на рабочий режим с выработкой номинальной электрической и тепловой мощности.
Предложенная батарея топливных элементов разработана в Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» для использования в автономных источниках питания в диапазоне электрических мощностей от единиц до десятков кВт. Расчеты режимов работы предложенной батареи топливных элементов и предварительные испытания устройства подтвердили эффективность заложенных в ее состав проектно-конструкторских решений.
Claims (3)
1. Батарея топливных элементов, содержащая мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и охлаждающей жидкости, токовыводящие электроды и средства для герметизации и соединения указанных элементов, отличающаяся тем, что батарея топливных элементов выполнена в виде цилиндра, охваченного диэлектрическим корпусом в форме трубы, мембранно-электродные и биполярные сборки и торцевые плиты батареи имеют в плане форму круга, каждая из биполярных сборок состоит из примыкающих друг к другу катодной, средней и анодной металлических пластин, указанные катодная и анодная пластины снабжены каналами для подвода катодного газа к катодной и анодного газа к анодной поверхности мембранно-электродных сборок, а средняя пластина снабжена каналами для протока охлаждающей жидкости между катодной и анодной пластинами, каналы катодной пластины имеют в плане форму спиралей, каналы анодной пластины - форму полуокружностей и каналы средней пластины - форму дугообразных прорезей, причем коллектором входа катодного газа является центральный канал, пронизывающий мембранно-электродные и биполярные сборки и одну из торцевых плит, коллектор выхода катодного газа выполнен в виде щелевидного канала, размещенного вдоль образующей батареи внутри указанного диэлектрического корпуса с выходным отверстием в торцевой плите, коллекторы входа и выхода анодного газа и охлаждающей жидкости также выполнены в виде щелевидных каналов, размещенных оппозитно вдоль образующих батареи внутри указанного диэлектрического корпуса с входными и выходными отверстиями в одной или обеих торцевых плитах.
2. Батарея топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что указанные каналы на поверхности катодных и анодных металлических пластин биполярных сборок выполнены штамповкой.
3. Батарея топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что торцевые плиты батареи электрически соединены с токовыводящими электродами, а диэлектрический корпус снабжен элементами для восприятия радиальных и осевых усилий от избыточного давления газа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007136316/09A RU2355072C1 (ru) | 2007-10-03 | 2007-10-03 | Батарея топливных элементов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007136316/09A RU2355072C1 (ru) | 2007-10-03 | 2007-10-03 | Батарея топливных элементов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2355072C1 true RU2355072C1 (ru) | 2009-05-10 |
Family
ID=41020116
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007136316/09A RU2355072C1 (ru) | 2007-10-03 | 2007-10-03 | Батарея топливных элементов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2355072C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2496186C1 (ru) * | 2012-04-19 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Топливный элемент и батарея топливных элементов |
RU2516245C1 (ru) * | 2012-11-29 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" | Биполярная пластина топливного элемента круглой формы |
RU2534021C2 (ru) * | 2009-05-22 | 2014-11-27 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов и способ его эксплуатации |
RU2538095C1 (ru) * | 2013-09-13 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Электрохимический генератор с твердым электролитом |
RU2626463C1 (ru) * | 2016-08-16 | 2017-07-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрохимических преобразователей" (ООО "ЗЭП") | Биполярная пластина топливного элемента круглой формы |
-
2007
- 2007-10-03 RU RU2007136316/09A patent/RU2355072C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2534021C2 (ru) * | 2009-05-22 | 2014-11-27 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов и способ его эксплуатации |
RU2496186C1 (ru) * | 2012-04-19 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Топливный элемент и батарея топливных элементов |
RU2516245C1 (ru) * | 2012-11-29 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" | Биполярная пластина топливного элемента круглой формы |
RU2538095C1 (ru) * | 2013-09-13 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Электрохимический генератор с твердым электролитом |
RU2626463C1 (ru) * | 2016-08-16 | 2017-07-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрохимических преобразователей" (ООО "ЗЭП") | Биполярная пластина топливного элемента круглой формы |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9231259B2 (en) | Fuel cell stack | |
RU2355072C1 (ru) | Батарея топливных элементов | |
US7169496B2 (en) | Fuel Cell | |
US8546036B2 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
JP5891379B2 (ja) | 燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック | |
WO2012157266A1 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
US8709672B2 (en) | Fuel cell module | |
US8916308B2 (en) | Fuel cell | |
KR20060090698A (ko) | 연료 전지 스택용 양극성 분리기 | |
JP2007311343A (ja) | 複合燃料電池スタック用の非浸透性の低接触抵抗シム | |
JP6928922B1 (ja) | 圧縮装置 | |
KR20040094345A (ko) | 연료전지 발전장치 | |
US7097929B2 (en) | Molten carbonate fuel cell | |
KR20090113561A (ko) | 연료전지 | |
JP2009526345A (ja) | 燃料電池スタック | |
CN113383114A (zh) | 压缩装置 | |
KR100556814B1 (ko) | 연료전지의 스택 | |
JPH07282836A (ja) | 燃料電池のガス配管取付構造 | |
RU70051U1 (ru) | Батарея топливных элементов для автономного источника питания | |
CN113825859A (zh) | 压缩装置 | |
EP2426771A1 (en) | Fuel cell module | |
JP2012133892A (ja) | 固体酸化物型燃料電池スタック | |
KR20100022362A (ko) | 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지 | |
KR20230100856A (ko) | 수냉식 냉각채널을 갖는 튜브형 연료전지 및 그 제조방법 | |
KR20050006651A (ko) | 중앙분배형 분리판을 겸비한 용융탄산염 연료전지 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20120712 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131004 |