RU2570568C2 - Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах - Google Patents

Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах Download PDF

Info

Publication number
RU2570568C2
RU2570568C2 RU2014115204/07A RU2014115204A RU2570568C2 RU 2570568 C2 RU2570568 C2 RU 2570568C2 RU 2014115204/07 A RU2014115204/07 A RU 2014115204/07A RU 2014115204 A RU2014115204 A RU 2014115204A RU 2570568 C2 RU2570568 C2 RU 2570568C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel cell
chamber
shell
block
water
Prior art date
Application number
RU2014115204/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014115204A (ru
Inventor
Дана Харрисон БРАУН
Эван Томас ГРИФФИТ
Original Assignee
Сфк Энерджи Аг
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сфк Энерджи Аг filed Critical Сфк Энерджи Аг
Publication of RU2014115204A publication Critical patent/RU2014115204A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2570568C2 publication Critical patent/RU2570568C2/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements 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
    • H01M8/04164Arrangements 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Изобретение относится к аппаратуре и способам управления производством воды и тепла, производимым топливным элементом в холодных средах. Аппаратура может включать трубу, соединенную с выпускным отверстием отсоса топливного элемента или блока топливных элементов для сбора воды, и может вести в камеру. Вторая труба может вести от камеры к внешней поверхности изолированной оболочки для обеспечения выдувания. Пар из топливного элемента, который конденсируется или замерзает, может удерживаться внутри контейнера таким образом, чтобы он не блокировал бы выпускного отверстия топливного элемента. Аппаратура, кроме того, также может включать теплообменную конструкцию для направления тепла из топливного элемента в направлении камеры. Техническим результатом является обеспечение функционирования топливных элементов при низких температурах. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее описание изобретения относится к области аппаратуры и способов для эксплуатации топливных элементов в чрезвычайно холодных средах, в частности аппаратуры и способов для эксплуатации топливных элементов на основе твердоэлектролитной мембраны («ТЭМ») в чрезвычайно холодных и удаленных средах для промышленных областей применения.
Уровень техники
Существует множество областей применения эффективного, портативного и удаленного источника питания в арктических, субарктических и других низкотемпературных климатах. Например, нефтегазовый сектор удовлетворяет потребность в удаленном источнике питания по широкому спектру способов. Газогенераторы и дизель-генераторы по мере надобности представляют собой обычное и эффективное средство удовлетворения потребности в источнике питания большой мощности, но они являются неподходящими для использования в нескольких областях применения вследствие ограничений по шуму, выбросам загрязняющих веществ или температуре поверхности. Их также требуется часто обслуживать, что не позволяет их использовать в очень сильно удаленных областях применения, которые не требуют регулярного наличия персонала.
Как известно, в удаленных областях/областях низкой потребляемой мощности используют солнечные источники питания, поскольку они не требуют обслуживания, являются бесшумными и характеризуются продолжительным сроком службы. Однако солнечные батареи отбирают неравномерные количества мощности, в особенности зимой, и в попытке компенсации этого эффекта панели солнечных батарей стали огромными и неуправляемыми. Они также могут стать покрытыми снегом или наносами, предотвращающими отбор мощности, что означает то, что они все еще требуют проведения определенной степени согласованного технического обслуживания.
Еще один способ получения удаленного источника питания заключается в термоэлектрических генераторах («ТЭГ»). Они сжигают природный газ или пропан, доступные по месту, для создания большой разницы температур, которая может быть использована для выработки электричества. Одна проблема, связанная с технологией ТЭГ, заключается в ее исключительной неэффективности, соответствующей ориентировочно термодинамическому коэффициенту полезного действия 2,5%, что в результате приводит к значительным потерям топлива. Данная неэффективность также в результате приводит к неоправданно высоким выбросам загрязняющих веществ. Еще одна проблема, связанная с технологиями ТЭГ, заключается в том, что они генерируют большое количество тепла, что делает их потенциально неподходящими для использования на пожароопасных объектах.
Еще один способ автономного энергопитания заключается в использовании батарей, электрически связанных совместно в большие блоки. Преимущества блоков батарей включают бесшумную эксплуатацию и стабильный отбор мощности. Хотя батареи требуют регулярной зарядки, а также нуждаются в защите от факторов природной среды для оптимальной эксплуатации. Вследствие своей низкой плотности энергии для обеспечения питания в течение продолжительных периодов времени требуется много батарей. Батареи также являются тяжелыми и громоздкими - регулярное их перемещение для зарядки представляет собой неэффективное использование персонала.
Как известно, автономное энергопитание для маломощных областей применения также могут обеспечить топливные элементы на основе твердоэлектролитной мембраны («ТЭМ»). Топливные элементы на основе ТЭМ по самой своей природе характеризуются меньшей эффективностью в сопоставлении с другими типами элементов вследствие высоких активационных потерь, что делает их неподходящими для использования при крупномасштабной выработке мощности. Элементы на основе ТЭМ также имеют тенденцию к функционированию при более низких рабочих температурах в сопоставлении с другими типами элементов. Таким образом, технология ТЭМ и, говоря более конкретно, прямые метанольные топливные элементы («ПМТЭ»), прежде нацеливались на низкоэнергетические области применения, что включает в себя портативный источник питания (от микроустройств вплоть до 800 Вт), а также некоторые маломощные средства транспортирования (например, вилочные погрузчики, скутеры), при этом в основном рынок ориентирован на небольшие электронные устройства, такие как мобильные телефоны и ноутбуки. Немного коммерчески доступных элементов ПМТЭ является подходящим для использования для более крупномасштабного источника питания (например, более чем 250 Вт), и современные производители имеют тенденцию к предложению элементов для узкоспециализированных областей, таких как области применения для досуга, безопасности, инфраструктуры для коммуникаций и военные области применения.
Существующие системы ПМТЭ нерационально эксплуатировать при чрезвычайно холодной погоде (например, ниже -20°C). Это обуславливается удерживанием жидкой воды в элементе ПМТЭ во время обычной эксплуатации. В случае замерзания данной воды расширение воды может привести к разбуханию и растрескиванию элемента. Современные системы топливных элементов используют определенную комбинацию из изоляции и электрического управления для обеспечения продолжения функционирования элемента при сохранении температуры элемента выше температуры замерзания в холодных средах. Однако в чрезвычайно холодных условиях данные системы неспособны сохранять внутренние температуры для обеспечения функционирования при температуре, меньшей чем -20°C.
Одна критическая проблема, с которой встречаются некоторые системы ПМТЭ, функционирующие в средах при холодной погоде, заключается в том, что высокоувлажненные газообразные продукты, генерируемые реакцией элемента, легко конденсируются и замерзают при воздействии атмосферных или внутренних температур замерзания. В зависимости от того, где происходит данное образование льда, это может приводить к широкому спектру проблем; в случае накопления льда поблизости от элемента или вокруг него может возникнуть опасность падения при скольжении; накопление льда на самом устройстве может привести к появлению дополнительной несбалансированной массы, которая может стать помехой при функционировании устройства и может затруднить удаление устройства по месту эксплуатации; а накопление льда на выпускном отверстии отсоса может предотвращать надлежащее функционирование элемента и потенциально может привести к аварийной остановке системы.
Зачастую данную технологию используют для получения удаленного источника питания во всех условиях для военных операций, операций по безопасности и других критических инфраструктурных операций. Потенциал для дополнительной угрозы безопасности создается в случае утраты питания критической инфраструктурой, полагающейся на устройство, вследствие недостатка технологии.
Поэтому желательно предложить аппаратуру и способ для эксплуатации удаленного источника питания в чрезвычайно холодных средах, которые бы преодолевали недостатки предшествующего уровня техники.
Раскрытие изобретения
Предлагаются аппаратура и способ для эксплуатации удаленного источника питания в чрезвычайно холодных средах. Настоящее описание изобретения относится к системе и способу для управления отсосом воды и утилизацией бросового тепла, производимыми топливным элементом в холодных средах. Вода может быть произведена топливным элементом или блоком топливных элементов в качестве побочного продукта выработки электричества. Некоторое количество данной воды может быть подано обратно в топливный элемент; однако избыточная вода может быть утилизирована таким образом, чтобы образование льда не создавало бы помех эксплуатации топливного элемента. Компоненты системы топливного элемента могут быть заключены внутрь оболочки. Оболочка может быть изолированной. Аппаратура может быть внутренней для системы топливного элемента или может представлять собой модификацию, полученную вне существующей системы.
Аппаратура может включать изолированную трубу, соединенную с выпускным отверстием отсоса топливного элемента или блока топливных элементов, и может вести в камеру, которая может конденсировать и собирать воду. Вторая труба может вести от верхней части камеры конденсации воды к внешней стороне изолированной оболочки. Любой пар из топливного элемента или блока топливных элементов, который конденсируется в виде воды, может удерживаться внутри контейнера и после этого вода может замораживаться в виде льда. Вода может замерзать в контейнере таким образом, чтобы она не закупоривала бы выпускное отверстие отсоса топливного элемента и не прерывала функционирование топливного элемента и не повреждала его. Камера может иметь промежуточную температуру в диапазоне между температурой окружающей среды, внешней для оболочки и температурой окружающей среды, внутренней для оболочки, и может облегчать конденсацию без возникновения потребности в теплообменниках с принудительной подачей воздуха. Вторая труба может обеспечить выдувание остающегося несконденсированного пара на внешнюю сторону оболочки. Данное выдувание может предотвращать нарастание давления внутри системы, что могло бы создавать помехи для функционирования топливного элемента, а также может предотвращать возникновение проблем с коррозией внутри контейнера. Аппаратура или система также могут включать компонент, при использовании которого тепло, испускаемое из топливного элемента или блока топливных элементов, может быть направлено вокруг водной камеры к линиям отсоса для поддержания их теплыми. Направление данного тепла отсоса через каналы может обеспечить функционирование при чрезвычайно низких температурах без накопления льда на конце трубы выпускного отверстия системы или на воздухозаборнике системы.
В широком смысле слова в некоторых вариантах осуществления предлагается аппаратура для функционирования, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, включающих выпускное отверстие отсоса, при этом аппаратура включает: оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки; первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса; камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубы; и вторую трубу, ведущую от верхней части камеры к выпускному отверстию оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока.
В широком смысле слова в некоторых вариантах осуществления предлагается система топливного элемента, включающая, по меньшей мере, один топливный элемент или блок топливных элементов, включающий выпускное отверстие отсоса; оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки; первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса; камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубки; и вторую трубу, ведущую от верхней части камеры выпускного отверстия оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока.
В широком смысле слова в некоторых вариантах осуществления предлагается способ функционирования, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, включающих выпускное отверстие отсоса, при этом способ включает стадии: заключения элемента или блока в оболочку; приема водяного пара из выпускного отверстия отсоса, полученного в виде побочного продукта производства электричества в элементе или блоке; конденсации, по меньшей мере, части водяного пара в камере в виде воды; и выдувания несконденсированного водяного пара из камеры, где топливный элемент функционирует при температурах, меньших чем -20°C.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет собой технологическую блок-схему одного варианта осуществления аппаратуры удаленного источника питания;
Фигура 2 представляет собой технологическую блок-схему одного дополнительного варианта осуществления аппаратуры удаленного источника питания, демонстрирующую развернутый вид блока топливных элементов; и
Фигура 3 представляет собой технологическую блок-схему одного дополнительного варианта осуществления аппаратуры удаленного источника питания, включающую конструкцию утилизации бросового тепла.
Осуществление изобретения
Что касается фигур 1 и 2, то на них продемонстрирован один вариант осуществления аппаратуры источника питания 10. Компоненты аппаратуры 10 могут включать оболочку 20, окружающую топливный элемент 30, и камеру сбора/конденсации воды 40. Оболочка 20 может включать выпускное отверстие 22. В некоторых вариантах осуществления оболочка 20 может включать вентиляционные патрубки и/или воздухозаборник 24. Либо воздухозаборник 24, либо выпускное отверстие 22, либо обе конструкции могут включать настраиваемые вентиляционные патрубки для регулирования количества воздуха, поступающего в оболочку 20 или выходящего из нее.
В некоторых вариантах осуществления оболочка 20 может как вмещать, так и защищать топливный элемент 20, а также заключать в себе рабочие оборудование и соединения, требуемые для эксплуатации топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31. Оболочка 20 может включать изоляцию для сохранения тепла, испускаемого из топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31 внутри оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления изоляция оболочки 20 может быть неоднородной. В некоторых вариантах осуществления камера 40 может быть размещена внутри оболочки 20 в области меньшей изоляции. Другими словами, область камеры 40, приближенная к оболочке 20, может быть менее изолированной в сопоставлении с другими областями оболочки 20. Данная дифференциальная изоляция и недостаток приближенности к топливному элементу 30 или блоку топливных элементов 31 в результате могут привести к получению более холодной области оболочки, образующейся вокруг камеры 40, когда температура, внешняя для оболочки 20, является меньшей в сопоставлении с (внутренней) температурой окружающей среды оболочки 20.
В некоторых вариантах осуществления основная часть пространства, доступного внутри оболочки 20, за исключением внутренних компонентов может быть заполнена изоляцией.
Тип изоляции может включать широкий спектр форм изоляции, где совокупное значение коэффициента сопротивления теплопередаче изоляции обеспечивает, по меньшей мере, значение R10 для внутренних компонентов. Внешний материал оболочки 20 может быть разработан для защиты компонентов, внутренних для оболочки 20. Как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, внешний материал может включать широкий спектр форм в диапазоне от формованного пластика до алюминия. В некоторых вариантах осуществления внешний материал может быть рассчитан для функционирования, по меньшей мере, при -55°C. В некоторых вариантах осуществления для экстремальных условий оболочка 20 может включать двухстенный корпус для придания системе увеличенной защиты, а также дополнительного значения коэффициента сопротивления теплопередаче.
Топливный элемент 30 может включать катод 32 и анод 34. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, в некоторых вариантах осуществления без ухудшения функции аппаратуры 10 могут быть скомпонованы друг с другом в виде батареи топливных элементов несколько топливных элементов 30. В некоторых вариантах осуществления топливный элемент 30 может быть функционально сочленен с технологическим конденсатором 60 с вентилятором для управления скоростью конденсации и резервуаром сепаратора вода-газ 70 для получения работающего блока топливных элементов 31.
В некоторых вариантах осуществления топливный элемент 30 может быть прямым метанольным топливным элементом (ПМТЭ), хотя, как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, заместителем на его месте может выступить любой соответствующий топливный элемент. Например, заместителями на его месте могут выступить другие элементы, в том числе топливные элементы на основе твердоэлектролитной мембраны (ТЭМ), которые имеют тенденцию к функционированию при низких температурах и наличию воды в качестве побочного продукта. Некоторые известные топливные элементы на основе ТЭМ включают водородные топливные элементы на основе ТЭМ, прямые этанольные топливные элементы (ПЭТЭ) и прямые топливные элементы на основе муравьиной кислоты (ПТЭМК). В некоторых вариантах осуществления для каждого элемента 30 две химические реакции в полуэлементах протекают, образуя результирующую реакцию, продемонстрированную ниже.
Реакция в анодном полуэлементе: CH3OH(ж)+H2O(ж)→CO2+6H++6е-
Реакция в катодном полуэлементе: 3/2O2+6Н++6е-→3H2O(п)
Результирующая окислительно-восстановительная реакция: CH3OH(ж)+3/2O2→CO2+2H2O(п),
где водяной пар и избыточный воздух могут покидать топливный элемент или блок топливных элементов 31 через катодный отсос топливного элемента 36. CO2, производимый в результате прохождения реакции на аноде 34, может выходить через анодное выпускное отверстие 38.
В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может включать контейнер для сбора и хранения воды. В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может быть внутренней для оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может быть изготовлена из пластиков, нержавеющего/водостойкого металла или других соответствующих материалов. Камера конденсации воды 40 может иметь прямоугольную, цилиндрическую или любую другую надлежащую форму. В некоторых вариантах осуществления размер камеры 40 определяет количество топлива, подаваемого в топливный элемент 30, так чтобы контейнер был бы откалиброван для приема надлежащего количества воды в качестве побочного продукта. Камера конденсации воды 40 может быть расположена рядом с топливным элементом 30, над ним или под ним. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, характеристики камеры конденсации воды 40 могут варьироваться или замещаться при одновременном сохранении той же самой функции и без отклонения от предполагаемого объема. Камера конденсации воды 40 может быть соединена с первой трубой 42 и может быть соединена со второй трубой 44. Трубы 42, 44 могут быть изготовлены из материала Teflon™ или других обычных водостойких материалов трубной проводки. В некоторых вариантах осуществления трубы 42, 44 могут быть изолированы при использовании изоляции трубы/трубной проводки или других соответствующих материалов для предотвращения замерзания воды, содержащейся в них. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, характеристики труб 42, 44 могут варьироваться или замещаться при одновременном сохранении той же самой функции и без отклонения от предполагаемого объема. В некоторых вариантах осуществления камера конденсации воды 40 может быть герметизирована при исключении впускного отверстия камеры 46 и выпускного отверстия камеры 48. В некоторых вариантах осуществления впускное отверстие камеры 46 и выпускное отверстие камеры 48 могут быть размещены в верхней части конденсатора 40. Один конец первой трубы 42 может быть соединен с выпускным отверстием отсоса топливного элемента 36 топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31, а второй конец первой трубы 42 может быть соединен с впускным отверстием камеры 46. В некоторых вариантах осуществления один конец второй трубы 44 может быть соединен с выпускным отверстием камеры 48, а второй конец второй трубы 44 может быть соединен с оболочкой 20 поблизости от выпускного отверстия 22.
При эксплуатации аппаратура 10 может производить электричество для сохранения достаточной зарядки во внешних батареях, использующихся для запитывания электрических устройств, таких как: ретрансляторы связи, мониторы качества воздуха, приборы контроля качества воды, приборы мониторинга погоды, приборы сейсмического наблюдения, средства дистанционного наблюдения за объектами, дистанционные системы интернета и мобильных телефонов, усилители сигналов, насосы для нагнетания химических реагентов, системы компримирования, системы удаленных портативных источников питания, электронные отключающие устройства, ретрансляционные станции для сообщения о внезапной неработоспособности, светодиодные световые решения, видео- и коммуникационные пакеты, источники питания телекамер и кинокамер, системы мониторинга состояния дикой природы. В некоторых вариантах осуществления устройства, такие как те, которые могут быть соединены с системой батарейного блока, которая может быть сохранена и выдержана заряженной при использовании системы топливного элемента. Топливный элемент 30 или блок топливных элементов 31 могут производить водяной пар в качестве побочного продукта. Данный водяной пар может покидать топливный элемент 30 или блок топливных элементов 31 через отсос топливного элемента 36 в первую трубу 42 и в камеру конденсации воды 40 через впускное отверстие камеры 46. В некоторых вариантах осуществления водяной пар может покидать топливный элемент 30 или блок топливных элементов 31 через отсос топливного элемента 36 в первую трубу 42 и в камеру конденсации воды 40 через впускное отверстие камеры 46. В некоторых вариантах осуществления для предотвращения образования сконденсированной водой закупоривания в любой трубе не должен быть реализован эффект сообщающихся сосудов. В некоторых вариантах осуществления локальная температура вокруг камеры конденсации воды 40 может быть уменьшена, например, вследствие расстояния от тепла, генерируемого топливным элементом 30 или блоком топливных элементов 31, или вследствие меньшей локальной изоляции оболочки 20. Уменьшенная локальная температура может обеспечить конденсацию собранного водяного пара в виде жидкой воды на дне камеры конденсации воды 40. Кроме того, падение давления, связанное с соединением находящегося под давлением отсоса из первой трубы 42 с давлением окружающей среды камеры конденсации воды 40, может дополнительно облегчить конденсацию. В некоторых вариантах осуществления уменьшенная локальная температура оболочки 20 в окрестностях камеры конденсации избытка 40 может быть меньшей чем 0°C. В некоторых вариантах осуществления жидкая вода, сконденсированная в камере конденсации воды 40, может замерзать в виде льда. В некоторых вариантах осуществления сконденсированная вода может храниться в камере 40 в виде воды или льда.
Характеризующийся низкой влажностью воздух и водяной пар, который не сконденсировался в камере конденсации воды 40, могут выходить через выпускное отверстие камеры 48 во вторую трубу 44 и на внешнюю поверхность оболочки через выпускное отверстие оболочки 22. В некоторых вариантах осуществления выпускное отверстие оболочки 22 может вести во внешнюю среду. Данное выдувание может предотвращать нарастание давления в камере конденсации воды 40. В некоторых вариантах осуществления камера 40 может быть удалена из аппаратуры 10 и камера 40 может быть опорожнена от собранных воды или льда. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, включение системы продувки с ручным или автоматическим приводом, включающей насос или слив, не будет отклоняться от объема данного описания изобретения и по мере надобности возможности опорожнения контейнера. В некоторых вариантах осуществления камера 40 может включать необмерзающий конденсатный насос (не показан) для обеспечения откачивания незамерзшей воды из камеры 40 с предварительно установленными интервалами, что обеспечит достижение большей автономности или использование более крупных источников топлива без лимитирования камеры 40 размером или количеством топлива. Сконденсированная текучая среда по мере надобности может быть откачана из камеры 40.
Что касается фигуры 2, то на ней продемонстрирован один вариант осуществления аппаратуры 10, где камера конденсации воды 40 может быть функционально сочленена с блоком топливных элементов 31. Как должен понимать специалист в соответствующей области техники, механическое оборудование, которое может быть использовано для эксплуатации работающего блока топливных элементов 31, включает: топливный элемент или батарею топливных элементов 30; воздушный насос 50; технологический конденсатор 60 с вентилятором для управления скоростью конденсации; резервуар сепаратора вода-газ 70; резервуар метанольного раствора 80; источник подачи чистого метанола 90 с насосом дозирования топлива 92 и анодным циркуляционным насосом 100. Для соединения с данным оборудованием могут быть использованы различные размеры и типы трубной проводки. Для продления срока службы батареи топливных элементов могут быть использованы воздушные фильтры и топливные фильтры (на фигурах не показаны). Аппаратура, системы и способы настоящего изобретения могут быть использованы для расширения рабочей температуры блока топливных элементов 31 вплоть до 25°C и менее.
Технологический конденсатор 60 может конденсировать начальное количество жидкой воды из водяного пара отсоса из топливного элемента 30. Сепаратор вода-газ 70 может отделять газы отсоса топливного элемента 30 и несконденсированный водяной пар из технологического конденсатора 60 от сконденсированной воды, поступающей из технологического конденсатора 60, так что газ будет отсасываться, а несконденсированная вода будет отправлена в резервуар метанольного раствора 80. Сепаратор вода-газ 70 может использовать силу тяжести и разницу давлений между контейнерами для разделения газов и барботирования продуктов на основе диоксида углерода через сконденсированную воду и на выпуск совместно с избыточным воздухом. Между тем жидкая вода может заполнять сепаратор вплоть до уровня переливания, в момент чего она может быть слита в резервуар метанольного раствора 80.
Что касается фигуры 3, то в некоторых вариантах осуществления аппаратура 10 может включать конструкцию утилизации бросового тепла 50. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может включать каналы воздушного тока окружающей среды, которые проходят через внутреннее пространство оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления каналы могут быть образованы пустотами в изоляции, внутренней для оболочки 20. Внутренняя изоляция (показанная в виде заштрихованной области) может представлять собой любой соответствующий изолирующий материал, например изоляцию в виде черного пенополистирола высокой плотности. В некоторых вариантах осуществления изоляция может быть разрезана для обеспечения соответствия внутренней поверхности оболочки 20 и она также может профилировать конструкцию утилизации бросового тепла 50 в виде каналов, прорезающих изоляцию для получения пути прохода для утилизации бросового тепла.
При эксплуатации тепло, производимое и испускаемое из топливного элемента 30 или блока топливных элементов 31 во время производства электричества при использовании топливного элемента 30, может выходить через отсос топливного элемента 36 и собираться при использовании конструкции утилизации бросового тепла 50. Теплый воздух окружающей среды конструкции утилизации бросового тепла 50 может способствовать предотвращению замерзания воды в компонентах, внутренних для оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может быть структурирована ниже или вокруг камеры 40. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может быть структурирована ниже или вокруг катода 32. Тепло, утилизируемое через конструкцию 50, может поддерживать температуру внутри оболочки 20 в пределах определенного диапазона. В некоторых вариантах осуществления внутренняя температура окружающей среды внутри оболочки 20 может находиться в диапазоне от -20°C до +35°C. В некоторых вариантах осуществления использование утилизации бросового тепла может предотвращать замерзание компонентов аппаратуры 10, внутренних для оболочки 20. В некоторых вариантах осуществления использование утилизации бросового тепла может предотвращать замерзание выпускного отверстия катода 32. В некоторых вариантах осуществления конструкция утилизации бросового тепла 50 может вести теплый воздух через внутреннее пространство оболочки 20 к выпускному отверстию 22. В некоторых вариантах осуществления для облегчения выдувания утилизируемого бросового тепла на выпускном отверстии 22 может присутствовать вентилятор отсоса. В некоторых вариантах осуществления вентилятор отсоса можно термостатически контролировать таким образом, чтобы вентилятор не функционировал бы тогда, когда он не требуется, например в случае внешних температур, больших чем 0°C.
В некоторых вариантах осуществления вторая труба может вести на внешнюю поверхность оболочки 20 на выпускном отверстии оболочки 22 или поблизости от него. Теплый воздух окружающей среды конструкции утилизации бросового тепла 50 может способствовать предотвращению замерзания второй трубы 44.
Несмотря на демонстрацию и описание нескольких вариантов осуществления, специалисты в соответствующей области техники должны понимать то, что без отклонения от объема изобретения могут быть реализованы и различные изменения и модификации. Термины и выражения, использующиеся в предшествующем описании изобретения, использовались в настоящем документе в качестве терминов описания, а не ограничения и нет намерения использования таких терминов и выражений за исключением эквивалентов продемонстрированных и описанных признаков или их частей, при этом необходимо понимать то, что изобретение определяется и ограничивается только формулой изобретения, которая следует далее.

Claims (26)

1. Аппаратура для эксплуатации, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, включающих выпускное отверстие отсоса, при этом аппаратура содержит:
оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки;
первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса;
камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубы; и
вторую трубу, ведущую от верхней части камеры к выпускному отверстию оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока,
при этом аппаратура содержит конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к камере.
2. Аппаратура по п. 1, где оболочка, кроме того, включает изоляцию.
3. Аппаратура по п. 2, где изоляция является неоднородной внутри оболочки.
4. Аппаратура по п. 3, где камеру размещают внутри оболочки в области меньшей изоляции.
5. Аппаратура по любому из пп. 1-4, содержащая конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к выпускному отверстию оболочки.
6. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой камера может быть удалена из аппаратуры, и где камера может быть опорожнена от воды.
7. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой топливный элемент или блок топливных элементов содержат топливный элемент на основе твердоэлектролитной мембраны (ТЭМ).
8. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой топливный элемент или блок топливных элементов содержат прямой метанольный топливный элемент.
9. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой размер камеры определяет количество топлива, подаваемого в топливный элемент.
10. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой второй конец первой трубы функционально соединен с камерой в верхней части камеры.
11. Аппаратура по любому из пп. 1-4, в которой камеру располагают ниже элемента или блока.
12. Система топливного элемента, содержащая:
по меньшей мере, один топливный элемент или блок топливных элементов, включающие выпускное отверстие отсоса;
оболочку, окружающую элемент или блок для улавливания тепла, испускаемого из элемента или блока, при этом оболочка включает выпускное отверстие оболочки;
первую трубу с одним концом, функционально соединенным с выпускным отверстием отсоса, при этом первая труба сконфигурирована для сбора воды из выпускного отверстия отсоса;
камеру, функционально соединенную со вторым концом первой трубы; и
вторую трубу, ведущую от верхней части камеры к выпускному отверстию оболочки, где камера конденсирует и удерживает воду и где оболочка собирает тепло, испускаемое из элемента или блока,
при этом система содержит конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к камере.
13. Система по п. 12, в которой оболочка, кроме того, включает изоляцию.
14. Система по п. 13, в которой изоляция является неоднородной внутри оболочки.
15. Система по п. 14, в которой камера находится внутри оболочки, и изоляция камеры уменьшена.
16. Система по любому из пп. 12-15, содержащая конструкцию утилизации бросового тепла для направления тепла, испускаемого из элемента или блока, к выпускному отверстию оболочки.
17. Система по любому из пп. 12-15, в которой камера может быть удалена из аппаратуры, и в которой камера может быть опорожнена от воды.
18. Система по любому из пп. 12-15, в которой топливный элемент или блок топливных элементов включают топливный элемент на основе твердоэлектролитной мембраны (ТЭМ).
19. Система по любому из пп. 12-15, в которой топливный элемент или блок топливных элементов содержат прямой метанольный топливный элемент.
20. Система по любому из пп. 12-15, в которой размер камеры определяет количество топлива, подаваемого в топливный элемент.
21. Система по любому из пп. 12-15, в которой второй конец первой трубы функционально соединен с камерой в верхней части камеры.
22. Система по любому из пп. 12-15, в которой камеру располагают ниже элемента или блока.
23. Способ функционирования, по меньшей мере, одного топливного элемента или блока топливных элементов, содержащих выпускное отверстие отсоса, при этом способ включает стадии:
заключения элемента или блока в оболочку;
приема водяного пара из выпускного отверстия отсоса, полученного в виде побочного продукта производства электричества на катоде в элементе или блоке;
конденсации, по меньшей мере, части водяного пара в камере в виде воды; и
выдувания несконденсированного водяного пара из камеры, где топливный элемент функционирует при температурах, меньших чем -20°C,
производства тепла из элемента или блока в качестве побочного продукта производства электричества и сбора тепла внутри оболочки, окружающей элемент или блок,
направления тепла к камере.
24. Способ по п. 23, включающий стадию хранения воды, собранной в камере внутри оболочки.
25. Способ по п. 23 или 24, включающий стадию замерзания воды в камере по способу, который не закупоривает выпускное отверстие отсоса.
26. Способ по п. 23 или 24, включающий по мере надобности стадию удаления воды, собранной в камере, и опорожнения камеры от воды.
RU2014115204/07A 2011-09-16 2011-09-16 Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах RU2570568C2 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CA2011/001042 WO2013037031A1 (en) 2011-09-16 2011-09-16 Apparatus and methods for operating fuel cells in cold environments

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014115204A RU2014115204A (ru) 2015-10-27
RU2570568C2 true RU2570568C2 (ru) 2015-12-10

Family

ID=47882475

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014115204/07A RU2570568C2 (ru) 2011-09-16 2011-09-16 Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2756539B1 (ru)
CA (1) CA2846093C (ru)
DK (1) DK2756539T3 (ru)
RU (1) RU2570568C2 (ru)
WO (1) WO2013037031A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722751C1 (ru) * 2019-12-10 2020-06-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Энергетическая установка с топливным элементом для арктической зоны

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6706160B2 (ja) * 2016-06-24 2020-06-03 株式会社フジクラ 燃料電池システム
CN112640171A (zh) * 2018-08-30 2021-04-09 瓦特燃料电池公司 重整器的容器和燃料电池系统
US11862831B2 (en) 2021-12-28 2024-01-02 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Container for a fuel cell system
US11962046B2 (en) 2021-12-29 2024-04-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. System and method for directly monitoring the conductivity of coolant used to regulate the temperature a fuel cell

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2264003C2 (ru) * 2002-05-10 2005-11-10 Сони Корпорейшн Топливный элемент, способ электропитания с использованием топливного элемента, функциональная карта, механизм подачи газа для топливного элемента и генератор, и его производство
RU2295804C2 (ru) * 2001-07-18 2007-03-20 Тель-Авив Юниверсити Фьючер Текнолоджи Дивелопмент Л.П. Топливный элемент с протонопроводящей мембраной и с усовершенствованным регулированием расхода воды и топлива

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6797421B2 (en) * 2002-01-11 2004-09-28 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for preventing water in fuel cell power plants from freezing during storage
DE10307112A1 (de) * 2002-02-19 2003-10-30 Proton Energy Sys Inc System zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie und Verfahren für dessen Gebrauch
JP4221942B2 (ja) * 2002-03-27 2009-02-12 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20040062964A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Direct methanol fuel cell system
JP3742053B2 (ja) * 2002-11-22 2006-02-01 株式会社東芝 燃料電池システム
JP4886282B2 (ja) * 2005-11-30 2012-02-29 株式会社東芝 燃料電池ユニット
GB2450042B (en) * 2006-03-24 2012-02-01 Ceres Ip Co Ltd Fuel cell stack system assembly
US7833672B2 (en) * 2006-09-08 2010-11-16 Samsung Sdi Co., Ltd. Modular direct fuel cell system with integrated processor
EP2164123A1 (de) * 2008-09-15 2010-03-17 SFC Smart Fuel Cell AG Erhöhung der Wasserrückgewinnung und Wärmerückgewinnung eines Direkt-Methanol-Brennstoffzellensystems
DE102009034380A1 (de) * 2009-07-23 2011-01-27 Daimler Ag Brennstoffzellensystem

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2295804C2 (ru) * 2001-07-18 2007-03-20 Тель-Авив Юниверсити Фьючер Текнолоджи Дивелопмент Л.П. Топливный элемент с протонопроводящей мембраной и с усовершенствованным регулированием расхода воды и топлива
RU2264003C2 (ru) * 2002-05-10 2005-11-10 Сони Корпорейшн Топливный элемент, способ электропитания с использованием топливного элемента, функциональная карта, механизм подачи газа для топливного элемента и генератор, и его производство

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Us 2004062964 A1, 01.04.2004. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722751C1 (ru) * 2019-12-10 2020-06-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Энергетическая установка с топливным элементом для арктической зоны

Also Published As

Publication number Publication date
CA2846093A1 (en) 2013-03-21
RU2014115204A (ru) 2015-10-27
DK2756539T3 (en) 2019-01-07
WO2013037031A1 (en) 2013-03-21
EP2756539A4 (en) 2015-05-06
CA2846093C (en) 2017-01-24
EP2756539A1 (en) 2014-07-23
EP2756539B1 (en) 2018-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2570568C2 (ru) Аппаратура и способ для эксплуатации топливных элементов в холодных средах
AU2012228513B2 (en) Hydrogen offloading in an electrochemical generator unit including a hydrogen fuel cell
CN110165262B (zh) 一种燃料电池尾气水分再利用的轻型固态储氢动力系统
CN104596001A (zh) 基于甲醇水制氢发电系统的空调系统及其控制方法
JP2002543566A (ja) 耐凍性燃料電池システム及び方法
CN109301402B (zh) 一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统
CN102437357B (zh) 燃料电池的水平衡系统
US8603694B2 (en) Method for operating fuel cells for systems that are restricted by exposure to thermal stress and fuel cell stack for carrying out said method
CN103236554A (zh) 燃料电池备用电源供氢汇流排氮气吹扫系统
US6887608B2 (en) Fuel cell system and related operating method
US20200347783A1 (en) Improved method for storing and producing energy with optimised water management
CN204404423U (zh) 基于甲醇水制氢发电系统的空调系统
KR20090086008A (ko) 연료전지의 시동성 및 안전성 향상을 위한 단열용기
JP2008262867A (ja) 燃料電池システム
CN110073157B (zh) 用于可持续产生能量的系统和方法
RU2686844C1 (ru) Автономная энергетическая установка
KR101817432B1 (ko) 연료전지 시스템
JP2009266611A (ja) 燃料電池システム
JP2009266608A (ja) 燃料電池システム
EP2034053A1 (en) Equipment and method for obtaining gases by means of the electrolysis of water
JP2010001188A (ja) 水素製造装置及び燃料電池
JP2011076728A (ja) 燃料電池およびその水抜き方法
CN220914279U (zh) 一种二级分水器以及燃料电池系统
US20080050636A1 (en) Mixer for liquid fuels
CN214588931U (zh) 一种防冻结储水装置及气液分离设备