СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ВАРИАНТЫ) И БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2012 года по МПК H01M8/00 H01M8/04 

Область техники, к которой относится изобретение

В общем смысле данное изобретение относится к топливным элементам. А в частности, данное изобретение относится к эксплуатации топливного элемента при определенных температурах с целью достижения увеличения срока эксплуатации топливного элемента.

Уровень техники

Топливные элементы широко известны и все больше используются во множестве областей применения. Один из типов топливных элементов известен как топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) и используется, например, для стационарной выработки электроэнергии.

Одним из недостатков известных PAFC является то, что обычно пакетные модули топливных элементов каждые пять лет нуждаются в замене. По истечении этого времени эксплуатационные характеристики такого пакетного модуля ухудшаются и не соответствуют достаточному или приемлемому для большинства случаев применения уровню. Обычно ухудшение эксплуатационных характеристик является результатом того, что каталитический слой частично заливается электролитом. Совместное воздействие электродного потенциала и рабочих температур в пакетном модуле топливного элемента с течением времени приводит к окислению поверхности угольного носителя катализатора, что влечет за собой залив и ухудшение эксплуатационных характеристик.

Желательно создать усовершенствованную батарею топливных элементов, не требующую такой частой замены пакетного модуля, как это имеет место в уже известных батареях. Данное изобретение решает эту проблему.

Раскрытие изобретения

Пример батареи топливных элементов, которая работает в соответствии с осуществлением изобретения, включает электрохимически активную часть, которая функционирует при средней температуре в интервале от приблизительно 340°F (171°С) до приблизительно 360°F (182°C) в течение всего срока нормальной эксплуатации батареи. По сравнению с батареями, работающими в интервале стандартных рабочих температур, для одного из примеров при использовании средней рабочей температуры в указанном интервале удалось удвоить период нормальной эксплуатации батареи топливных элементов.

Пример способа эксплуатации батареи топливных элементов включает определение зависимости между температурой электрохимически активной части батареи и эксплуатационными характеристиками с течением времени. Основывающийся на определенной взаимосвязи выбор средней рабочей температуры служит для достижения желаемого минимального уровня эксплуатационных свойств в течение желаемого минимального периода времени.

В одном из примеров средняя рабочая температура задается в интервале от приблизительно 340°F (171°С) до приблизительно 360°F (182°С).

Один из примеров включает выбор минимальной рабочей температуры, меньшей, чем температура, являющаяся нижним пределом интервала средних рабочих температур. В одном из примеров минимальная рабочая температура составляет приблизительно 300°F (149°C). Другой пример включает выбор такой максимальной рабочей температуры для электрохимически активной части батареи топливных элементов, которая превышает верхний предел интервала средних рабочих температур. В одном из примеров максимальная температура составляет приблизительно 390°F (199°С).

Для сведущих в этой области техники лиц разнообразные свойства и преимущества данного изобретения станут очевидными из подробного описания данного предпочтительного варианта осуществления изобретения. Чертежи, прилагаемые к подробному описанию, кратко могут быть охарактеризованы следующим образом.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 схематично изображена батарея топливных элементов.

На Фиг.2 представлен график временной зависимости температуры и эксплуатационных характеристик топливного элемента.

На Фиг.3 представлен пример графика зависимости эксплуатационных характеристик топливного элемента во времени.

Осуществление изобретения

Фиг.1 схематично иллюстрирует батарею 20 топливных элементов. Пакетный модуль элементов включает группу анодов 22 и катодов 24 на противоположных сторонах узла 26 электролита. Они функционируют известным образом. В одном из примеров узел 26 электролита включает фосфорную кислоту, таким образом, батарея известна как батарея топливных элементов на основе фосфорной кислоты.

Иллюстрированный пример также включает охладители 30, функционирующие известным образом и имеющие вышеупомянутые вход 32 для охлаждающей жидкости и выход 34 для охлаждающей жидкости.

Известно, что батареи топливных элементов имеют разную температуру в различных частях внутри батареи. Согласно цели обсуждения упоминается, что электрохимически активные участки, в которых имеется наложение между катализаторами в катоде 24 и аноде 22, рассматриваются как электрохимически активная часть 40 батареи 20 топливных элементов. Известно также, что в электрохимически активной части температура может изменяться, поскольку имеются локальные колебания плотности тока, а также из-за конфигурации охладителей 30. Например, имеются температурные градиенты в направлении потока охлаждающей жидкости внутри пакета элементов и в аксиальном направлении по причине расположения нескольких элементов между охладителями, а также направления теплового потока от элементов к охладителям. Температуры внутри батареи также меняются по мере изменения расхода мощности элементов.

Одним из свойств батарей топливных элементов является то, что рабочая температура электрохимически активной части оказывает прямое воздействие на период нормальной эксплуатации батареи. На Фиг.2, например, показан график 50 коэффициента распада относительно 400°F (204°С) в зависимости от рабочей температуры. Кривая 52 отражает один из примеров зависимости ухудшения эксплуатационных характеристик элемента и температуры. Из Фиг.2 очевидно, что повышенные температуры вызывают увеличение скорости распада, что в свою очередь выражается в уменьшении периода нормальной эксплуатации батареи топливного элемента. Согласно примеру осуществления данного изобретения, зависимость температуры и эксплуатационных характеристик во времени используется в качестве решающего фактора при выборе интервала рабочих температур для батареи топливных элементов.

Согласно традиционному подходу, рабочие условия энергоустановки с топливным элементом на основе фосфорной кислоты выбирались с целью достижения максимальных исходных эксплуатационных характеристик и коэффициента полезного действия энергоустановки. Использование данного подхода требует рабочих температур, которые задаются на основе ограничений по материалам, используемым в батареи элементов. При выборе рабочих температур для электрохимически активной части 40 этот подход не учитывает ухудшение эксплуатационных характеристик как решающий фактор. Таким образом, модель подхода, впервые раскрытого в данном описании, основывается на решающих факторах, не используемых при традиционном подходе.

Пример батареи топливных элементов, разработанный согласно осуществлению данного изобретения, включает интервал средних рабочих температур для электрохимически активной части 40, который определяется с целью достижения, по крайней мере, минимального уровня эксплуатационных характеристик (т.е. номинальной выходной мощности) в течение определенного периода времени. Один из примеров предусматривает среднюю рабочую температуру электрохимически активной части 40, находящуюся в пределах от приблизительно 340°F (171°С) до приблизительно 360°F (182°C). Этот интервал средних рабочих температур считается таковым в течение периода нормальной эксплуатации батареи топливных элементов. Разумеется, по известным причинам рабочие температуры будут несколько меняться.

В одном из примеров максимальная рабочая температура для электрохимически активной части 40, не попадающая в интервал средних рабочих температур, находилась в пределах от приблизительно 380°F (193°C) до приблизительно 400°F (204°C). Поддерживание максимальной температуры на этом уровне или ниже, чем в пределах данного интервала, замедляет ухудшение эксплуатационных характеристик, которое напрямую зависит от повышенных температур в батарее топливных элементов. В одном из предпочтительных примеров максимальная рабочая температура для электрохимически активной части 40 составляет 390°F (199°C). Эта максимальная рабочая температура вероятнее всего будет иметь место у элементов, располагающихся в центре пакета элементов между охладителями.

В одном из примеров абсолютный минимум температуры электрохимически активной части при рабочих условиях составляет, по крайней мере, 300°F (149°С). Поддерживание минимальной температуры, по крайней мере, 300°F (149°C) является предпочтительным для минимизации отравления анодного катализатора угарным газом, присутствующим в преобразованном топливе.

Части батареи топливных элементов, которые не являются электрохимически активными и не входят в состав электрохимически активной части 40, например зоны конденсации кислоты, которые функционируют известным способом, могут работать при более низких температурах. Допустимый интервал для частей, которые не являются электрохимически активными частями батареи топливных элементов, может отличаться от интервала для электрохимически активной части 40 и может выбираться, исходя из необходимости в каждой конкретной ситуации.

Например, в одном из случаев вход 32 для охлаждающей жидкости имеет рабочую температуру приблизительно 270°F (132°C), а выход 34 для охлаждающей жидкости имеет соответствующую температуру приблизительно 337°F (169°C). Эти примеры температур соответствуют средней рабочей температуре электрохимически активной части - 350°F (177°C) и максимальной температуре электрохимически активной части 40-390°F (199°С).

Известные топливные элементы на основе фосфорной кислоты функционируют при давлениях реагентов, значения которых приблизительно соответствуют следующему диапазону: давление окружающего воздуха - десять атмосфер. Известно, что с увеличением давления увеличивается скорость распада. Это является результатом окисления угольных носителей катализатора, которые больше смачиваются при высоких давлениях. В одном из примеров батареи топливных элементов, разработанной согласно осуществлению данного изобретения, предпочтительное рабочее давление приблизительно совпадает с окружающим давлением (т.е. приблизительно около 14,7-20 фунт/кв.дюйм (100-140 кПа)).

В некоторых примерах выбор интервала средних рабочих температур для электрохимически активной части, основанный на зависимости эксплуатационных характеристик от времени, обеспечит более низкое выходное напряжение и меньший коэффициент полезного действия в начале эксплуатации топливного элемента по сравнению с топливными элементами, для которых при выборе рабочих температур используется традиционный подход. Однако, согласно идее данного изобретения, среднее напряжение и коэффициент полезного действия превышают аналогичные показатели элементов, работающих при более высоких температурах. Кроме того, согласно идее данного изобретения топливный элемент способен обеспечить повышенную выходную мощность для увеличения срока службы. В одном из примеров срок полезного использования батареи топливных элементов удваивается по сравнению с аналогично скомпонованной батареей, работающей в традиционном температурном интервале.

Фиг.3 изображает график 60 зависимости напряжения в элементе от времени. Первая кривая 62 показывает один из примеров такой зависимости в батарее топливных элементов, для которой используется интервал средних рабочих температур, соответствующий описанному выше примеру. Кривая 64 показывает соответствующим образом скомпонованная батарея топливных элементов, для которой используется традиционный интервал более высоких рабочих температур. Хотя кривая 64 демонстрирует более высокую выходную мощность в начале цикла эксплуатации топливного элемента, увеличение скорости распада подтверждает, что топливный элемент с интервалом рабочих температур согласно данному изобретению производит больше энергии, имея при этом более высокий коэффициент полезного действия, и этот процесс происходит в течение гораздо более длительного периода нормальной эксплуатации. На показанном примере видно, что пожертвовав исходными эксплуатационными характеристиками и коэффициентом полезного действия, можно замедлить скорость распада и получить абсолютное среднее увеличение количества энергии, что приводит к уменьшению затрат на цикл эксплуатации и уменьшению стоимости электричества, вырабатываемого батареей топливного элемента. Хотя данное изобретение описывается в связи с батареей топливных элементов на основе фосфорной кислоты (PAFC), оно может использоваться и для других топливных элементов, таких как топливные элементы на основе высокотемпературного полимерного электролита.

Специалисты в данной области техники при наличии описания смогут выбрать приемлемые температурные значения, наилучшим образом подходящие для их конкретной ситуации.

Приводимое выше описание по своей сущности является скорее иллюстративным, нежели вносящим ограничения. Возможны изменения и модификации вариантов воплощения данного изобретения описанных в примерах, которые специалистам покажутся очевидными и не обязательно будут являться отступлением от сущности данного изобретения. Объем правовой защиты данного изобретения может быть определен лишь в результате рассмотрения следующих пунктов формулы изобретения.

Изобретение относится к топливным элементам, в частности к эксплуатации топливного элемента при определенных температурах. Согласно изобретению, батарея 20 топливных элементов включает электрохимически активную часть 40, которая функционирует при средней рабочей температуре при средней температуре в интервале приблизительно от 171°С до 182°С в течение всего фактического срока службы батареи. Максимальные и минимальные рабочие температуры электрохимически активной части могут выходить за пределы интервала средних рабочих температур. В одном из примеров электрохимически активная часть имеет минимальную температуру выше чем приблизительно 149°С, максимальную температуру ниже чем приблизительно 204°С. Техническим результатом является увеличение срока эксплуатации топливного элемента. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ эксплуатации батареи топливных элементов, отличающийся тем, что определяют изменения температуры электрохимически активной части батареи в зависимости от времени ее эксплуатации, выбирают интервал средних рабочих температур на основании указанной определенной зависимости приблизительно от 171°С до 182°С, при котором достигаются по меньшей мере минимально необходимые эксплуатационные характеристики за по меньшей мере минимально короткий промежуток времени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что минимальную рабочую температуру выбирают ниже наименьшей температуры интервала средних рабочих температур, а максимальную рабочую температуру выбирают выше наибольшей температуры интервала средних рабочих температур.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что минимальная рабочая температура составляет приблизительно 149°С, а максимальная рабочая температура составляет менее чем приблизительно 204°С.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что максимальная рабочая температура составляет приблизительно 199°С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что эксплуатацию батареи топливного элемента осуществляют при давлении, которое приблизительно равно окружающему.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливный элемент является топливным элементом на основе фосфорной кислоты.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливный элемент является топливным элементом на основе высокотемпературного полимерного электролита.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нормальной работы батареи топливных элементов используют средний рабочий интервал температур.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что установленная зависимость включает период времени, по меньшей мере равный ожидаемому сроку эксплуатации батареи топливных элементов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нормальной работы батареи топливных элементов в течение полного срока эксплуатации батареи топливных элементов используют выбранный рабочий интервал средних температур.

11. Способ эксплуатации батареи топливных элементов, отличающийся тем, что регулируют среднюю рабочую температуру электрохимически активной части батареи топливных элементов с поддержанием ее в пределах интервала средних рабочих температур приблизительно от 171°С до 182°С в течение всего фактического срока службы батареи.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что минимальную температуру электрохимически активной части поддерживают по меньшей мере на уровне приблизительно 149°С.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что максимальную температуру электрохимически активной части поддерживают на уровне менее чем приблизительно 204°С.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что электрохимически активную часть нагревают до максимальной температуры приблизительно 199°С.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что эксплуатацию батареи топливных элементов производят при давлении, приблизительно равном окружающему.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что топливный элемент является топливным элементом на основе фосфорной кислоты.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что топливный элемент является топливным элементом на основе высокотемпературного полимерного электролита.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что для нормальной работы батареи топливных элементов используют рабочий интервал средних температур.

19. Батарея топливных элементов, содержащая электрохимически активную часть, отличающаяся тем, что электрохимически активная часть установлена с возможностью эксплуатации при средней температуре в интервале приблизительно от 171°С до 182°С в течение всего фактического срока службы батареи.

20. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что она установлена с возможностью эксплуатации при давлении, приблизительно равном окружающему.

21. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что электрохимически активная часть имеет минимальную температуру выше чем приблизительно 149°С.

22. Батарея по п.21, отличающаяся тем, что электрохимически активная часть имеет максимальную температуру ниже чем приблизительно 204°С.

23. Батарея по п.22, отличающаяся тем, что максимальная температура приблизительно составляет 199°С.

24. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что она содержит вход для охлаждающей жидкости, имеющий соответствующую температуру приблизительно 132°С, и выход для охлаждающей жидкости, имеющий соответствующую температуру приблизительно 169°С.

25. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что она содержит топливный элемент на основе фосфорной кислоты.

26. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что она содержит топливный элемент на основе высокотемпературного полимерного электролита.

27. Батарея по п.19, отличающаяся тем, что электрохимически активная часть работает при нормальных условиях и средней температуре.