УВЛАЖНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2016 года по МПК H01M8/04 

Изобретение касается увлажнительного элемента согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения; такого рода увлажнительный элемент известен, например, из WO 2009/101036 A1.

В топливном элементе путем электрохимического соединения водорода (H₂) и кислорода (O₂) на электроде с получением воды (H₂O) с высоким коэффициентом полезного действия вырабатывается электрический ток. Техническое воплощение этого принципа топливного элемента привело к различным решениям, причем с разными электролитами и рабочими температурами от 60°C до 1000°C. В зависимости от их рабочей температуры топливные элементы подразделяются на низко-, средне- и высокотемпературные топливные элементы, которые, в свою очередь, отличаются друг от друга разными техническими вариантами осуществления.

Топливные элементы системы топливных элементов во время их эксплуатации снабжаются рабочими газами, т.е. водородсодержащим горючим газом и кислородсодержащим окислительным газом. Некоторые варианты осуществления низкотемпературных топливных элементов, в частности топливные элементы, снабженные полимерной электролитической мембраной (топливные элементы ПЭМ), для эксплуатации нуждаются в увлажненных рабочих газах. Эти рабочие газы в надлежащем устройстве, таком как, например, жидкостно-кольцевой компрессор или мембранный увлажнитель, насыщаются водяным паром. Увлажнительное устройство и вероятные другие устройства снабжения вместе с системой топливных элементов образуют устройство топливных элементов.

Если рабочие газы по длинным подводящим трубопроводам для рабочих газов направляются от увлажнителя к системе топливных элементов, то на этом пути температура увлажненного рабочего газа за счет потери тепла в окружающую среду может опускаться. Это приводит к конденсации увлажняющей воды. Затем рабочие газы снова нагреваются в топливных элементах, вследствие чего их относительная влажность уменьшается. Из-за этого может испортиться электролит, который всегда должен быть влажным и экстремально чувствителен к сухости, из-за чего сокращается срок его службы. Поэтому желательно, чтобы увлажнитель был расположен как можно ближе к топливным элементам.

Из EP 1435121 B1 известен блок топливных элементов, включающий в себя пакет из плоских топливных элементов и пакет из плоских увлажнительных элементов. Оба пакета расположены в блоке топливных элементов непосредственно рядом. Увлажнительные элементы выполнены в виде мембранных увлажнителей, у которых, начиная от первой наружной пластины, между первой наружной пластиной и второй наружной пластиной расположены газовая камера, камера для увлажняющей воды и разделяющая эти две камеры водопроницаемая мембрана, при этом между мембраной и первой наружной пластиной расположен водопроницаемый опорный элемент.

Прежде чем рабочие газы подводятся к топливным элементам пакета топливных элементов, они протекают через увлажнительные элементы, там увлажняются и затем текут, не выходя снова из блока топливных элементов, в пакет топливных элементов.

В камере для увлажняющей воды, т.е. с одной стороны мембраны, течет увлажняющая вода, а в газовой камере, т.е. с другой стороны мембраны, течет рабочий газ по каналам, которые выполнены в каждой наружной пластине. Чтобы предотвратить закрытие мембраны вдоль перемычек наружных пластин этими перемычками так, чтобы увлажняющая вода или, соответственно, рабочий газ не смогли попадать к мембране, между мембраной и одной или двумя наружными пластинами всегда расположен водопроницаемый опорный элемент. Благодаря этому мембрана в области опорного элемента удерживается на расстоянии от наружной пластины и таким образом обеспечивается то, что увлажняющая вода или, соответственно, рабочий газ может проникать к мембране по большой поверхности, благодаря чему увеличивается производительность увлажнения. Это особенно важно при применении структур с большой поверхностью в наружной пластине. В зависимости от того, с какой стороны мембраны расположен опорный элемент, увлажняющая вода проникает либо сначала через опорный элемент и затем через мембрану, либо сначала через мембрану, а затем через опорный элемент и таким образом попадает к рабочему газу, который должен увлажняться.

По меньшей мере опорный элемент между мембраной и второй наружной пластиной состоит при этом предпочтительно из угольной бумаги. Угольная бумага является устойчивой к применяемым рабочим средам или, соответственно, материалу мембраны и обладает предпочтительно гидрофильными свойствами, т.е. полностью смачивается водой. Угольная бумага вследствие гидрофильности и большой поверхности гарантирует хорошее увлажнение, и возможные возникающие за счет гидростатического давления капли воды распределяются по поверхности и в газовой камере захватываются потоком газа в газообразной форме. Механические усилия между мембраной и наружной пластиной или пластинами хорошо воспринимаются угольной бумагой, к тому же предотвращается непосредственный контакт между мембраной и наружной пластиной или пластинами, а вместе с тем - коррозия.

Из WO 2009/101036 известно применение у такого рода увлажнительного элемента вместо угольной бумаги ткани, которая состоит из полимерного материала. Благодаря этому также может достигаться хорошее увлажнение газа без одновременного захвата в газовой камере рабочим газом в большом количестве жидкой воды в форме капелек воды, что может приводить к ограничениям работоспособности топливных элементов вследствие поступления воды.

Задачей настоящего изобретения является еще более улучшить рабочие свойства у такого рода увлажнительного элемента. Увлажнительный элемент должен быть при этом, в частности, также пригоден к эксплуатации со скачкообразным изменением объемного потока газа, которая, например, вызывается изменением нагрузки на топливных элементах.

Решение этой задачи удается получить с помощью топливного элемента с признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются соответственно предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

В соответствии с изобретением ткань первого опорного элемента выполнена из фторированного полимерного материала, который по меньшей мере частично, предпочтительно полностью состоит из чередующегося сополимеризата из этилена и хлортрифторэтилена (Э-ХТФЭ). Как оказалось, такого рода ткани отличаются хорошей стойкостью к рабочим газам топливных элементов (в частности, к кислороду), достаточно большой для увлажнения газа поверхностью и хорошими свойствами удерживания/накопления воды (гидрофильностью). Но, в частности, они могут также наделяться очень хорошими свойствами смачивания жидкой водой. Благодаря этому может предотвращаться вынос и захватывание жидкой воды при изменении нагрузки или других нестационарных рабочих состояниях топливных элементов, которые сопровождаются скачкообразным изменением объемного потока газа. Таким образом, предотвращается, чтобы часть приставшей к поверхности ткани воды в жидкой форме захватывалась и попадала из области увлажнителя в топливные элементы, где могут происходить явления посадки напряжения.

Вследствие своих механических свойств (способность к деформации, прочность) эти материалы в состоянии воспринимать возникающие при эксплуатации увлажнительного элемента механические усилия без повреждения их самих или, соответственно, без повреждения соседних конструктивных элементов.

Кроме того, важно, чтобы такого рода ткань могла механически наделяться такой гибкостью, чтобы она плоско накладывалась на мембрану, благодаря чему также устанавливается хороший режим при скачкообразном изменении объемного потока газа при изменении нагрузки.

Поясненные выше свойства хорошей стойкости к рабочим газам топливных элементов, в частности, к кислороду, хорошей производительности увлажнения и хорошего режима при изменении нагрузки оптимально выполняются тканью, у которой фторированный полимерный материал по меньшей мере частично, предпочтительно полностью состоит из сополимеризата из этилена и хлортрифторэтилена (Э-ХТФЭ).

Предпочтительно между мембраной и второй наружной пластиной расположен второй водопроницаемый опорный элемент, который предпочтительно тоже изготовлен из ткани, состоящей из фторированного полимерного материала. Благодаря этому мембрана может особенно надежно удерживаться в желаемом положении.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления фторированный полимерный материал является каландрированным, т.е. изготовлен методом каландрирования.

Хорошие механические свойства могут достигаться, прежде всего, тогда, когда ткань имеет саржевое переплетение или, соответственно, саржевую конструкцию (также коротко называемую «саржа» или «твил»).

По другому предпочтительному варианту осуществления ткань обладает пропусканием воздуха от 220 до 300 л/м²/с при 2 мбар, в частности 260 л/м²/с при 2 мбар.

Ткань имеет предпочтительно толщину, равную от 200 до 500 мкм, в частности 370 мкм.

При этом ткань предпочтительно в отношении своей толщины и диаметра своих пор адаптирована к жесткости мембраны и к давлениям в граничащих с мембраной камерах таким образом, что во время эксплуатации увлажнительного элемента даже при изменении нагрузки топливных элементов мембрана не протискивается через поры и не касается наружной пластины. Благодаря этому могут предотвращаться явления ухудшения производительности увлажнения и проблемы коррозии в случае металлических наружных пластин. Ткань тогда несмотря на поры обладает «плотностью», аналогичной соответствующей угольной бумаге.

Одно из особенно устойчивых расположений мембраны и особенно простая конструкция увлажнительного элемента достигаются за счет того, что первая наружная пластина, первый опорный элемент, мембрана, второй опорный элемент и вторая наружная пластина прилегают каждый друг к другу. При этом наружные пластины целесообразным образом имеют каналы или тиснения, через которые рабочий газ или увлажняющая вода может течь по наружной пластине и по прилегающему к наружной пластине опорному элементу. При этом варианте осуществления увлажнительный элемент образует особенно устойчивый и практически не чувствительный к давлению узел. Этот вариант осуществления изобретения особенно пригоден для очень неглубоких увлажнительных элементов с очень неглубокой газовой камерой и/или камерой для увлажняющей воды.

Опорный элемент может полностью покрывать доступную для увлажняющей воды или рабочего газа поверхность мембраны. Хорошая опора мембраны, однако, обеспечена также, когда опорный элемент, например, вследствие выемок в опорном элементе, покрывает только часть плоской стороны мембраны. Благодаря этому осуществляется беспрепятственный доступ увлажняющей воды и рабочего газа к мембране, благодаря чему повышается производительность увлажнения увлажнительного элемента.

Примеры осуществления изобретения поясняются подробнее с помощью пяти фигур. При этом показано:

фиг.1: вид сверху изображенного в разрезе увлажнительного элемента;

фиг.2: сечение увлажнительного элемента с фиг.1;

фиг.3: другое сечение увлажнительного элемента с фиг.1;

фиг.4: устройство топливных элементов;

фиг.5: измерение производительности увлажнения у ткани из Э-ХТФЭ в сравнении с угольной бумагой;

фиг.6: измерение потерь давления у ткани из Э-ХТФЭ в сравнении с угольной бумагой и

фиг.7: доля жидкой воды на выходе увлажнителя при скачке нагрузки.

Одинаковые предметы на фигурах снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями.

На фиг.1 на схематичном виде сверху изображена принципиальная конструкция прямоугольного и плоского увлажнительного элемента 1, который включает в себя помещенную в рамку из уплотнительного материала 3 и изображенную в разрезе мембрану 5. Под мембраной 5 виден также изображенный в разрезе опорный элемент 7. Под опорным элементом 7 изображена наружная пластина 9, которая выполнена в виде стального листа с тисненой структурой 11. Тисненая структура 11 состоит из круглых возвышений или, соответственно, углублений внутри наружной пластины 9. Между наружной пластиной 9 и опорным элементом 7 установлено закрывающее устройство 13. Закрывающее устройство 13 расположено в области впуска 15 рабочего средства.

На фиг.2 показано сечение увлажнительного элемента 1 по линии II-II, причем, однако, теперь с обеих сторон мембраны 5 расположены по одному опорному элементу 7a или, соответственно, 7b и одной наружной пластине 9a или, соответственно, 9b. В частности, увлажнительный элемент 1 включает в себя первую наружную пластину 9a и вторую наружную пластину 9b. Начиная от первой наружной пластины 9a, между первой наружной пластиной 9a и второй наружной пластиной 9b расположены газовая камера 21, камера 31 для увлажняющей воды и разделяющая эти две камеры 21, 31 водопроницаемая мембрана 5. Между первой наружной пластиной 9a и мембраной 5 расположен первый водопроницаемый опорный элемент 7a, а между второй наружной пластиной 9b и мембраной 5 - второй водопроницаемый опорный элемент 7b.

Увлажнительный элемент 1 является частью пакета увлажнительных элементов устройства топливных элементов. Во время эксплуатации увлажнительного элемента 1 горючий газ течет по осевому каналу 17 увлажнительного элемента 1. Осевой канал 17 ориентирован параллельно направлению пакета увлажнительных элементов. От осевого канала 17 ответвляется соответственно радиальный канал 19 к одному из увлажнительных элементов 1 пакета увлажнительных элементов. Горючий газ течет по радиальному каналу 19 и дальше через впуск 15 для рабочего средства и затем попадает в газовую камеру 21 увлажнительного элемента 1. После выхода из впуска 15 для рабочего средства горючий газ, не образуя значительных завихрений, распространяется с одной стороны по закрывающему устройству 13, а с другой стороны по наружной пластине 9 увлажнительного элемента 1.

Первая наружная пластина 9a выполнена в виде нагревательного элемента, который состоит из двух металлических листов. Между металлическими листами находится камера для нагревательной воды, через которую во время эксплуатации увлажнительного элемента 1 течет горячая нагревательная вода. Эта нагревательная вода нагревает как текущий через увлажнительный элемент 1 горючий газ, так и увлажняющую воду примерно до температуры топливных элементов устройства топливных элементов.

В газовой камере 21 горючий газ смачивается увлажняющей водой и после протекания через газовую камеру 21 попадает к выпуску 23 для рабочего средства газовой камеры 21. Протекая по другому радиальному каналу и другому осевому каналу, он в смоченном состоянии снова выходит из увлажнительного элемента 1. Также в области выпуска 23 для рабочего средства опорный элемент 7a закрыт другим закрывающим устройством 24 для предотвращения завихрений при втекании горючего газа в выпуск 23 для рабочего средства.

На фиг.3 показано сечение увлажнительного элемента 1 по изображенной на фиг.1 линии III-III, причем теперь здесь также с обеих сторон мембраны 5 расположены по одному опорному элементу 7a или, соответственно, 7b и одной наружной пластине 9a или, соответственно, 9b. Это сечение направлено вдоль осевого канала 25, который во время эксплуатации увлажнительного элемента 1 проводит увлажняющую воду. Увлажняющая вода течет по осевому каналу 25 и попадает через радиальный канал 27 к другому впуску 29 для рабочего средства. Протекая через этот впуск 29 для рабочего средства, увлажняющая вода попадает в камеру 31 для увлажняющей воды и течет между второй наружной пластиной 9b и закрывающим устройством 33. Затем увлажняющая вода попадает ко второму опорному элементу 7b.

Часть увлажняющей воды проникает через второй опорный элемент 7b и попадает к мембране 5. После прохождения через эту водопроницаемую мембрану 5 увлажняющая вода проникает также через расположенный на другой стороне мембраны 5 первый опорный элемент 7a. На обращенной к газовой камере 21 стороне опорного элемента 7a увлажняющая вода испаряется и увлажняет при этом текущий через газовую камеру 21 горючий газ. Другая часть увлажняющей воды протекает через камеру 31 для увлажняющей воды неиспользованная, распространяется по другому закрывающему устройству 35 и снова выходит из увлажнительного элемента 1 после протекания по радиальному каналу и другому осевому каналу.

Вторая наружная пластина 9b также выполнена в виде нагревательного элемента, который состоит из двух металлических листов. Между металлическими листами находится камера для нагревательной воды, через которую во время эксплуатации увлажнительного элемента 1 течет горячая нагревательная вода. Эта нагревательная вода нагревает текущую через камеру 31 для увлажняющей воды увлажняющую воду примерно до температуры топливных элементов устройства топливных элементов.

Оба опорных элемента 7a и 7b незакрепленным образом прилегают к водопроницаемой мембране 5 и полностью покрывают плоские наружные стороны мембраны 5 за исключением узкой наружной кромки. Оба опорных элемента 7a и 7b вместе с мембраной 5 образуют мембранную систему, которая зажата между двумя наружными пластинами 9a, 9b увлажнительного элемента 1. Опорные элементы 7a, 7b прилегают, таким образом, с одной стороны к мембране 5, а с другой стороны к одной из наружных пластин 9a, 9b. С помощью опорных элементов 7a, 7b мембрана 5 прочно удерживается в своем положении. Кроме того, опорные элементы 7a, 7b способствуют тому, что мембрана 5 ни в каком месте не может касаться наружных пластин 9a, 9b и при этом не закрывается частью наружных пластин 9a, 9b.

Опорные элементы 7a, 7b состоят при этом из ткани, которая изготовлена из чередующегося сополимеризата из этилена и хлортрифторэтилена (Э-ХТФЭ) и в процессе изготовления была каландрирована. Ткань имеет при этом саржевое переплетение. Кроме того, ткань обладает пропусканием воздуха от 220 до 300 л/м²/с при 2 мбар, в частности 260 л/м²/с при 2 мбар, при толщине от 200 до 500 мкм, в частности 370 мкм. Такого рода ткань поставляется, например, производителем Sefar под наименованием «Sefar Textex Mono® 08-1050-R 039».

Предпочтительно при этом ткань в отношении своей толщины и диаметра своих пор и мембрана в отношении своей жесткости адаптированы друг к другу и к давлениям в граничащих с мембраной камерах таким образом, что при эксплуатации увлажнительного элемента мембрана не протискивается через поры и не касается наружной пластины.

На фиг.4 на схематичном изображении показано устройство 41 увлажнительных элементов в виде блока увлажнительных элементов. Устройство 41 увлажнительных элементов включает в себя пакет из увлажнительных элементов 43 и пакет из топливных элементов 45. Увлажнительные элементы 43 имеют такую же ширину и высоту, что и топливные элементы 45. Благодаря этому блок топливных элементов в направлении пакета увлажнительных элементов 43 и топливных элементов 45 по оси пакета имеет равномерную ширину и высоту. Кроме того, увлажнительные элементы 43 имеют такую же толщину, что и топливные элементы 45, так что наружная форма и наружные размеры увлажнительных элементов 43 такие же, как и наружная форма и наружные размеры топливных элементов 45.

Измерения характеристик ток-напряжение топливных элементов, потребляемой производительности увлажнения и потерь давления при применении опорных элементов 7a, 7b из описанной выше ткани из Э-ХТФЭ показывают лишь небольшие различия по сравнению с опорными элементами 7a, 7b из угольной бумаги, т.е. рабочие свойства увлажнительного элемента, снабженного опорными элементами из ткани из Э-ХТФЭ, почти сравнимы с рабочими свойствами увлажнительного элемента, снабженного опорными элементами из угольной бумаги, с тем дополнительным преимуществом, что можно избежать отделения угольных волокон и вместе с тем засорения потоков сред в узких проходах для газа.

На фиг.5 показана производительность B увлажнения на выходе увлажнителя, который состоит из 4 увлажнительных элементов, относительно газового потока G при эксплуатации топливных элементов для исходного давления, равного 2.6 бар, при применении угольной бумаги K и при применении ткани E из Э-ХТФЭ.

На фиг.6 показано измерение потерь Δp давления между входом и выходом увлажнителя для увлажнителя, который состоит из 4 увлажнительных элементов, относительно газового потока G при эксплуатации топливных элементов, для исходного давления, равного 2.6 бар, при применении угольной бумаги K и при применении ткани E из Э-ХТФЭ.

Как видно из фиг.5 и 6, в случае ткани E из Э-ХТФЭ производительность увлажнения только приблизительно на 10% меньше, чем в случае угольной бумаги K, а потери давления только примерно на 10% больше, чем в случае угольной бумаги K.

На фиг.7 показана доля F жидкой воды на выходе увлажнителя при скачке нагрузки в зависимости от рабочего времени T перед скачком нагрузки. Как видно из фиг.7, доля F жидкой воды в случае ткани E из Э-ХТФЭ значительно меньше, чем в случае угольной бумаги K, причем эта разница с увеличением рабочего времени сначала сильно увеличивается, а затем остается относительно постоянной.

Изобретение относится к топливным элементам. Техническим результатом является улучшение рабочих свойств увлажнительного элемента устройства топливных элементов. Упомянутый технический результат достигается тем, что у увлажнительного элемента (1) устройства (41) топливных элементов, включающего в себя первую наружную пластину (9a) и вторую наружную пластину (9b), причем, начиная от первой наружной пластины (9a), между первой наружной пластиной (9a) и второй наружной пластиной (9b) расположена газовая камера (21), камера (31) для увлажняющей воды и разделяющая эти две камеры (21, 31) водопроницаемая мембрана (5), при этом между первой наружной пластиной (9a) и мембраной (5) расположен первый водопроницаемый опорный элемент (7a), при этом первый опорный элемент (7a) изготовлен из ткани, которая состоит из полимерного материала, может предотвращаться вынос и захватывание жидкой воды при изменении нагрузки или других нестационарных рабочих состояниях топливных элементов, которые сопровождаются скачкообразным изменением объемного потока газа, благодаря тому что полимерный материал является фторированным полимерным материалом. Фторированный полимерный материал по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, состоит из чередующегося сополимеризата из этилена и хлортрифторэтилена (Э-ХТФЭ). 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Увлажнительный элемент (1) устройства (41) топливных элементов, включающий в себя первую наружную пластину (9а) и вторую наружную пластину (9b), причем, начиная от первой наружной пластины (9а), между первой наружной пластиной (9а) и второй наружной пластиной (9b) расположена газовая камера (21), камера (31) для увлажняющей воды и разделяющая эти две камеры (21, 31) водопроницаемая мембрана (5), при этом между первой наружной пластиной (9а) и мембраной (5) расположен первый водопроницаемый опорный элемент (7а), при этом первый опорный элемент (7а) изготовлен из ткани, которая состоит из полимерного материала,
отличающийся тем, что этот полимерный материал представляет собой фторированный полимерный материал, который по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, состоит из чередующегося сополимеризата из этилена и хлортрифторэтилена (Э-ХТФЭ).

2. Увлажнительный элемент (1) по п. 1, отличающийся тем, что между мембраной (5) и второй наружной пластиной (9b) расположен второй водопроницаемый опорный элемент (7b), который предпочтительно тоже изготовлен из ткани, состоящей из полимерного материала, причем этот полимерный материал является фторированным полимерным материалом.

3. Увлажнительный элемент (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что фторированный полимерный материал каландрирован.

4. Увлажнительный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ткань имеет саржевое переплетение.

5. Увлажнительный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ткань обладает пропусканием воздуха от 220 до 300 л/м²/с при 2 мбар, в частности 260 л/м²/с при 2 мбар.

6. Увлажнительный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ткань имеет толщину, равную от 200 до 500 мкм, в частности 370 мкм.

7. Увлажнительный элемент (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ткань в отношении своей толщины и диаметра своих пор и мембрана (5) в отношении своей жесткости адаптированы друг к другу и к давлениям в граничащих с мембраной (5) камерах (21, 31) таким образом, что при эксплуатации увлажнительного элемента (1) мембрана (5) не протискивается через поры и не касается наружной пластины (9а или, соответственно, 9b).

8. Увлажнительный элемент (1) по п. 2, отличающийся тем, что первая наружная пластина (9а), первый опорный элемент (7а), мембрана (5), второй опорный элемент (7b) и вторая наружная пластина (9b) прилегают каждый друг к другу.