Электрохимический генератор Советский патент 1993 года по МПК H01M8/04 

f-

S 1

Изобретение относится к химическим источникам тока и касается электрохимических генераторов, работающих на разбавлении электролита. Для поддержания длительной работоспособности такого генератора необходимо обеспечить удаление воды из зоны реакции с разбавленным электролитом и подлитку элементовжонцентрированным электролитом.

Известен электрохимический генератор, в котором разбавленный электролит накапливается в специальной емкости.

Объем емкости определяется энергоемкостью системы. При длительной работе генератора объем емкости в несколько раз превышает объ€м батареи, что существенно ухудшает объемные характеристики генератора, Кроме того, к недостатку этого гбнрратора можно отнести низкую рабочую, плотность тока (1 мА).

Известен электрохимический генератор, в котором для увеличения рабочей плотности тока емкость электролита снабжена контейнерами с твердой щелочью, которые расположены выше уровня электролита. По мере работы генератора электролит разбавляется, его уровень доходит до контейнера с щелочью и концентрация электролита повышается. Таким образом.,в генераторе в процессе работы поддерживается более высокое Значение концентрации электролита, что позволяет иметь более высокую рабочую плотность тока.

Недостатком генератора являются его плохие массогабаритные характеристики из-за наличия большой электролитной емкости, в которой накапливается разбавленный электролит..

Известен Электрохимический генератор, наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому, содержащий батарею топливных элементов с трубопроводами сли&а разбавленного электролита, соединеннь(Ми с верхними электролитными штуцерами топливных элементов и с подпитывающей емкостью с концентрированным электролитом, расположенной ниже элемента к соединенной с его нижними штуцерами диффузионной трубкой.

Недостатком данного генератора является низкая рабочая плотность тока, величина которой определяется скоростью диффузионных процессов.

Цель изобретения - повышение удельных электрических характеристик генератора, работающего на разбавленном электролите, за смет повышения рабочей плотности тока

Это достигается тем, что в предлагаемом генераторе подпитывающая емкость установлена выше нижних электролитных штуцеров топливных элементов, причем высота установки от указанных штуцеров до днища емкости определяется выражением

Нп

УП

где Не - высота от нижних электролитных штуцеров до сливных трубопроводов, м;

УС и УП - расчетное значение равновесной плотности эл ектролита в подписывающей емкости и сливном трубопроводе соответственно, г/см. .

Объем подпитывающей емкости определяется выражением AQCc -ус

V

Сп УП - Сс УС

где Q - энергоемкость генератора. кВт ч;

. д -1-коэффициент пропорциоUTS

нальности. связывающий анергоемктзсть и .количество образованной в генераторе воды, л/кВт ч;

UT - рабочее напряжение топливного элемента, В;

Сл и Сс - массовые концентрации подпитывающего и сливаемого электролитов соответственно, мас.%.

Заправочный штуцер подпитывающей

5 . емкости установлен на одном уровне с верхними электролитными штуцерами, а подпитывающая емкость выполнена с убывающим по высоте сечением для умень... шения времени заправки и выхода генератора на равновесный режим.

Предлагаемая схема генератора позволяет существенно примерно на порядок, увеличить рабочую плотность тока за счет обеспечения более эффективной гравистатической подпитки элементов. Соотношение высоты между сливным трубопроводом и подпитывающей емкостью определяется. из условия равновесия столбов электролита при выбранных значениях плотностей электролита. Плотность и однозначно связанная с ней концентрация сливаемого электролита выбирается для заданных параметров генератора по экспериментальной зависимости электрических характеристик элемента от плотности или концентрации электролита. Плотность электролита в подпитывающей емкости определяется условиями рзботы. в основном температурой окружающей ереды. Обьем подпитывающей емкости выбирается исходя из заданной энергоемкости генератора, выбранных плотностей и itoHцентраций сливаемого и подпитывающего электролита. Выражение для определения объема подпитывающей емкости У А Q Сс Ус Сп УП - Сс УС получается из уравнения материального баланса и условия разбавления водой запасенного объема электролита. Действительно, за время работы генератора весь электролит с концентрацией Сп и плотностью УП содержащийся в подпитывающей емкости, сливается из генератора вместе с водой, образующейся за это же время, но уже с концентрацией Сс и плотностью УС. При этом количество сухой щелочи, содержащейся в электролите, остается неизменный, так как. она не расходуется в процессе реакции. Полагая, что объем слитого электролита равен (с допустимой для инженерных расчетов точностью) сумме объемов электролита в подпитывающей емкости Vn и объема образованной воды AQ, можно записать VnCn УП (AQ + Vn) Gc УС, где Vn Сп УП - масса сухой щелочи в подпитывающё Н емкости; .(AQ+Vn) Сс Ус - масса сухой щелочи в слитом электролите. Преобразовывая это уравнение, получаем приведенное выше выражение. Пример. Определим объем электролита в подпитывающей емкости для генератора мощностью 50 Вт, работающего непрерывно в течение года при температуре окружающей среды до . Из условия незамерзания электролита в подпитывающей емкости выбираем плотность электролита УП 1,4 г/см, при этом концентрация составляет Сп 41 мас.%. Среднюю плотность сливаемого электролита примем равной УС 1,05 г/см . что соответствует концентрации Сс 6 . Количество воды, образующейся в генераторе в течейие года составляет Кэ НаО г 173 л. и,э где А Кэ,н20/итэ: Кэ,Н2О 0.336 л/лА ч - электрохимический эквивалент образования 0.85 В -- выбранное рабочее напряжение топливного элрментя: Wan 50 10 кВт - электрическая мощность генератора: г-8650 ч - время работы генератора. При данных условиях значение Vn составляет 21.3 л. Подпитывающая емкость выполнение убывающим по высоте сечением. Это сделано для того, чтобы уменьщить расход щелочи в период выхода генератора на рабочий стационарный режим, а также уменьшить время выхода. Установка з аправочного щтуцера емкости на одном уровне с верхними электролитными щтуцерами. элементов позвол Г9т существенно упростить заправку и запуск генератора. Если заправочный щтуцер емкости установить ниже уровня верхних электролитных штуцеров элементов, то либо верхняя часть электродов остается незамоченной электролитом, что приводит к смещению реагентов и выходу генератора из строя, либо требуется сложная технология заправки элементов и емкости .электролитом разной концентрации. Установка заправочного штуцера выше верхних электролитных штуцеров элементов нецелесообразна, так как увеличивается расход щелочи в период выхода генератора на рабочий режим, в соответствии и время выхода. На чертеже изображ1ен предлагаемый электрохимический генератор. Генератор содержит батарею 1-1п, систему подачи реагентов 2.1,,.2,2, систему продувки 3,1. 3.2. подпитывающую емкость 4. электролитные трубопроводы 5,1 - 5п, нижние.электролитные штуцеры 6.1-6п, сливные трубопроводы 7.1-7.0, верхние электролитные щтуцеры 8.1-8.П и заправочный штуцер 9. Предлагаемый генератор работает сле.дующим образом. Элементы заправляются электролитом через заправочный штуцер 9. Подаются рабочие газы через систему подачи реагентов 2.1. 2.2, включается электрическая нагрузка. Образующаяся в результате реакции вода накапливается в элементе, вызывая разбавление электролита и увеличение его объема. Уровень элект юлита в сливных трубопроводах 7.1-7.П будет увеличиваться до тех пор. пока не достигнет уровня слива. При дальнейшей работе объем электролите в элементах остается Г1ОСТОЯННЫМ, а его концентрация будет постепенно уменьшаться до тех пор. пока не выйдет на равновесную, определяемую выражениемСчитается, что система вышла на режим, когда плотность сливаемого электролита ()г) достигает значения 1,1-1,005. Время выхода на режим зависит от объема электролита в подпитывающей емкости 4. расположенного выше начального рабочего уровня. Для уменьшения этого времени емкость имеет убывающее по высоте сечение. Т оотношение между начальным рабочим уровнем электролита (Нп + АН) и конечным (Ни) определяется допустимым диапазоном изменения сливной концентрации электро лита. При реальном диапазоне изменения указанной концентрации 1,1-1,0.65 соотно. НП+АН составляет 1,1, шение уровней -; т.е. уровень электролита изменяется приблизительно на 10%. Предлагаемый генератор имеет по сравнению с известным существенно более высокую удельную мощность и лучшие объемные характеристики. Действительно, изФормула изобре . н и я 1. ЭЛЕКТРОХИЛЙИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий батарею топливных элементов с трубопроводами слива разбавленного электролита, соединенными с верхними электролитными,штуцерами топливных элементов и подпитывающей емкостью с концентрированным электролитом, соединенной с нижними электролитными штуцерами топливных элементов, системы подачи реагентов и продувки, отличающийся тем, что, с целью повышения удельных электрических характеристик за счет повышения рабочей плотности тока, подпитывающая емкость установлена выше нижних электролитных штуцеров элементов, причем высота установки от указанных штуцероа до днища емкости определяется выражением Н ibj: УП где Не - высота от нижних электролитных штуцеров до сливных трубопроводов, м; вестный генвратор имеет рабочую плотность тока 1-2 мА/см . определяемую скоростью диффузионной подпитки электролита. Предлагаемый генератор имеет рабочую плотность тока до 10-15 мА/см за счет более эффективной гравистатической подпитки элементов электролитом, т.е. при прочих равных условиях (энергоемкость, температура окру | :ающей среды и т.д.) удельная мощность кВт/кг) предлагаемого генератора примерно на порядок выше, чем у изв гстного, а удельный обьем (л/кВт) на Порядок ниже. (56) Химические и физические источники тока. Сб. М., 1972, вып. 1 (10). Патент Великобритании N° 1226095. Н 2 В, 24.03.71. Заявка Франции № 2005180 И 01 m 57/00, 16.10.70. УП УС расчетное значение равновесной плотности электролита в подпитывающей емкости и сливных трубопроводах соответственно, г/см, а объем подпитывающей емкости определяется выражением у A-QCcTc С ТпЯТс где Q - энергоемкость, кВт ч; А 0,336 / UTS коэффициент пропорциональности, л/кёт ч; Ura - рабочее напряжение топливноГЬ элемента, В; Сп и Сс - массовые концентрации сливаемого и подпитывающего электролита соответственно, мас.%: 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени заправки и выхода генератора на равновесный режим, заправочный штуцер подпитывающей емкости установлен на одном уровне с верхними электролитными штуцерами элементов, а подпитывающая емкость выполнена с убывающим по высоте сечени; Й/П i II tH U fho Ji y Ji-Jir H. 12 5