Топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения (варианты)

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Филатов Сергей АлександровичКучинский Георгий СтаниславовичАльюсеф, Юсеф МохаммедФилатова Ольга Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Топливный элемент, содержащий, по меньшей мере, элементарный элемент, ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану, два электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины 71712011.04.30 и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а также систему охлаждения, отличающийся тем, что биполярные пластины выполнены сборными, каждая из которых включает пластину с газораспределительными каналами и теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина снабжена тепловыми трубами,связанными с внешним радиатором. 2. Топливный элемент, содержащий, по меньшей мере, элементарный элемент, ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану, два электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а также систему охлаждения, отличающийся тем, что биполярные пластины выполнены сборными, каждая из которых включает пластину с газораспределительными каналами и теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина выполнена выступающей за габариты электрода и снабжена встроенными каналами, в которых выполнены тепловые трубы. 3. Топливный элемент, содержащий, по меньшей мере, элементарный элемент, ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану, два электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а также систему охлаждения, отличающийся тем, что биполярные пластины выполнены выступающими за габариты электрода и снабжены газораспределительными каналами, а также встроенными каналами, в которых выполнены тепловые трубы.(56) 1. Заявка РФ 98115001, МПК Н 01 М 8/00, 2000. Предлагаемый топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения (варианты) относится к области химических источников тока, в частности к топливным элементам с ионообменной мембраной, и может быть использован в качестве электрохимического источника тока. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению (прототип) является топливный элемент с ионообменной мембраной и периферийной системой охлаждения 1. Указанное устройство содержит, по меньшей мере, элементарный элемент,ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий в себя ионообменную мембрану, два электрода в тесном контакте с указанной мембраной и две прокладки,снабженные распределительными каналами. Биполярные пластины изготовлены из плоского листа, имеют отверстия для подачи газов, содержащих водород и кислород, к единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды. Топливный элемент дополнительно снабжен продольными каналами для протекания охлаждающей текучей среды. При этом протекание ее локализовано в периферийной области биполярных пластин. Топливный элемент с ионообменной мембраной и периферийной системой охлаждения работает следующим образом. Газы, содержащие водород и кислород, через соответствующие отверстия, расположенные в биполярных пластинах, и далее по распределительным каналам прокладок подаются к электродам. Через газопроницаемые электроды газы поступают, соответственно, к катодной и анодной сторонам мембраны. Поверхность мембраны содержит частицы катализатора, например платины. Молекула газа топлива,например водорода, в присутствии катализатора расщепляется, при этом протоны прохо 2 71712011.04.30 дят через мембрану, а электроны собираются электродом и с характерным для него сопротивлением через биполярные пластины передаются во внешнюю электрическую цепь топливного элемента. Кислород поступает к поверхности контакта второго электрода и мембраны, где происходит каталитическая реакция соединения окислителя с протоном,прошедшим через мембрану, и электроном, пришедшим из внешней цепи. Перечисленные процессы происходят с выделением тепловой энергии в пакете мембраны и электродов. Благодаря теплопроводности тепловая энергия отводится биполярными пластинами в периферийную область, через которую проходят каналы для протекания охлаждающей среды. Однако такая конструкция топливного элемента обладает недостатками. Конечная величина теплопроводности материала, а также конечная толщина биполярных пластин не позволяют осуществить эффективный теплоотвод от электродов на периферию топливного элемента и теплообмен с охлаждающей средой. Наличие канала для протекания охлаждающей среды, проходящего сквозь весь пакет топливного элемента, накладывает ограничения на электрическую проводимость и химическую активность охлаждающей среды. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности устройства за счет улучшения теплоотвода от электродов и мембраны по всей их рабочей площади при повышении равномерности распределения температуры. Задача решается следующим образом. Известный топливный элемент содержит, по меньшей мере, элементарный элемент,ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану,два электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а также систему охлаждения. Согласно предлагаемому техническому решению по варианту 1, биполярные пластины выполнены сборными, каждая из которых включает пластину с газораспределительными каналами и теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина снабжена тепловыми трубами, связанными с внешним радиатором. Это значительно повышает эффективность устройства за счет улучшения теплоотвода из топливного элемента и снижения рабочей температуры электродов и мембраны по всей активной площади при повышении равномерности распределения температуры. Согласно предлагаемому техническому решению по варианту 2, биполярные пластины выполнены сборными, каждая из которых включает пластину с газораспределительными каналами и теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина выполнена выступающей за габариты электрода и снабжена встроенными каналами, в которых выполнены тепловые трубы. Вариант 2 топливного элемента позволяет повысить эффективность устройства за счет улучшения теплоотвода из топливного элемента, а также снижение рабочей температуры электродов и мембраны по всей активной площади, при этом значительно повышается технологичность сборки топливного элемента. Согласно предлагаемому техническому решению по варианту 3, биполярные пластины выполнены выступающими за габариты электрода и снабжены газораспределительными каналами, а также встроенными каналами, в которых выполнены тепловые трубы. Данный вариант топливного элемента позволяет повысить эффективность устройства за счет улучшения теплоотвода из топливного элемента и снижения рабочей температуры электродов и мембраны по всей активной площади при повышенной технологичности изготовления конструктивных элементов и сборке топливного элемента. На фиг. 1 показан топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения по варианту 1. На фиг. 2 показан топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения по варианту 2. Показана теплосъемная пластина со встроенным каналом, в котором выполнена тепловая труба. 3 71712011.04.30 На фиг. 3 показан топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения по варианту 3. Показана биполярная пластина со встроенным каналом, в котором выполнена тепловая труба. Для наглядности каждый вариант топливного элемента изображен с разнесенными в пространстве элементами конструкции. По варианту 1 топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения состоит из ионообменной мембраны 1, которая для обеспечения электрической проводимости состоит в тесном контакте с двумя электродами 2. Электроды 2 с внешней стороны своей поверхностью находятся в контакте соответственно с пластинами 3, снабженными распределительными каналами 4, что обеспечивает электрический контакт и съем тепловой энергии с электродов 2 и мембраны 1, а также равномерное распределение газов,содержащих кислород и водород, по поверхности мембраны 1. Пластины 3 с распределительными каналами 4 внешними поверхностями контактируют с теплосъемными пластинами 5, снабженными тепловыми трубами 6, конденсационная часть которых связана с внешним радиатором 7, а испарительная часть тепловых труб 6 расположена на теплосъемных пластинах 5. Через отверстия 8 производится подача газов, содержащих водород и кислород, к распределительным каналам 4. По варианту 2 топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения состоит из ионообменной мембраны 1, состоящей в тесном контакте с двумя электродами 2, которые с внешней стороны соответственно находятся в контакте с пластинами 3,снабженными распределительными каналами 4. С внешними сторонами пластин 3 контактируют теплосъемные пластины 5, содержащие один или более встроенных каналов 9, в которых выполнены тепловые трубы 6 с конденсационной частью, вынесенной за контур электродов 2. По варианту 3 топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения состоит из ионообменной мембраны 1, состоящей в тесном контакте с двумя электродами 2, которые с внешней стороны находятся в контакте с областью распределительных каналов 4 внутренних сторон биполярных пластин 10. Биполярные пластины содержат встроенные каналы 9, в которых выполнены тепловые трубы 6, конденсационная часть которых вынесена за контур электродов 2. Предлагаемый топливный элемент работает следующим образом. По варианту 1 газы, содержащие водород и кислород, проходят через соответствующие отверстия 8 в биполярных пластинах и по распределительным каналам 4 пластин 3 распределяются по поверхности электродов 2, расположенных с двух сторон в тесном контакте с мембраной 1. Электроды 2 выполнены из электропроводных и проницаемых для газов материалов. Газ, содержащий водород, поступает к анодной стороне мембраны 1. На поверхности мембраны 1 молекула газа топлива, например водорода, в присутствии катализатора расщепляется, при этом протоны проходят через мембрану 1, а электроны собираются электродом 2 и через сборные биполярные пластины передаются во внешнюю электрическую цепь топливного элемента. Кислород поступает к поверхности контакта второго электрода 2 и мембраны 1, где происходит каталитическая реакция соединения окислителя с протоном, прошедшим через мембрану 1, и электроном, пришедшим через вторую сборную биполярную пластину из внешней цепи. В результате реакции образуется вода. Перечисленные процессы происходят с выделением тепловой энергии в пакете мембраны и электродов. Посредством тепловогоконтакта тепловая энергия от электродов 2 передается пластинам 3 с распределительными каналами 4 и далее теплосъемным пластинам 5. Пластины 3 с распределительными каналами 4 и теплосъемные пластины 5 выполнены из электро- и теплопроводящих материалов. В теплосъемные пластины 5 испарительными участками вмонтированы тепловые трубы 6. Тепловыми трубами 6 тепловая энергия передается радиаторам 7. Радиаторы 7 закреплены на конденсационных частях тепловых труб 6. При помощи конвекционного и радиационного теплообмена 4 71712011.04.30 тепловая энергия отводится от радиатора 7. Так как тепловые трубы 6 обеспечивают на своей длине минимальный перепад температуры, то на участке теплосъемных пластин 5,где вмонтирован ее испарительный участок, обеспечивается съем тепловой энергии с минимальным градиентом температуры. Данная конструкция топливного элемента с ионообменной мембраной и системой охлаждения с тепловыми трубами позволяет изменять конфигурацию взаимного расположения энерговыделяющих и охлаждающих элементов конструкции. По варианту 2 элементарный топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения работает следующим образом. Электрохимические процессы и тепловыделение происходит аналогично варианту 1. Тепловая энергия от мембраны и электродов посредствам контакта передается пластинам 3 с распределительными каналами 4 и далее теплосъемным пластинам 5. В контактной зоне теплосъемных пластин 5 тепловая энергия поглощается испарительными участками тепловых труб 6, выполненных во встроенных каналах 9. По тепловым трубам 6 и по материалу теплосъемных пластин 5 тепло переносится к области теплосъемных пластин 5, выступающей за габарит электрода 2, выполняющей роль радиатора. Основная часть тепловой энергии передается по тепловым трубам 6 ввиду малого их теплового сопротивления. Конструкция тепловых труб 6, выполненных во встроенных каналах 9, исключает тепловое сопротивление на переходе теплосъемая пластина 5 - внутренняя поверхность тепловой трубы 6, что обеспечивает на нем минимальную разность температуры. Таким образом, конвекционным и радиационным теплообменом с поверхности участков теплосъемных пластин 5, выступающих за габарит электродов 2, производится эффективный теплообмен из внутреннего объема топливного элемента. Вариант сборных биполярных пластин позволяет выполнять пластины 3 с распределительными каналами 4 и теплосъемные пластины 5 из материалов с оптимальными параметрами по коррозионной стойкости и электропроводности. По варианту 3 элементарный топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения работает следующим образом. Электрохимические процессы и тепловыделение происходит аналогично варианту 1. Тепловая энергия от мембраны 1 и электродов 2 посредством контакта передается биполярным пластинам 10 с распределительными каналами 4. По тепловым трубам 6, выполненным во встроенных каналах 9,тепловая энергия передается к области биполярных пластин 10, выступающей за габарит электрода и выполняющей роль радиатора. Данная конструкция позволяет повысить технологичность изготовления конструктивных элементов и упростить технологию сборки топливного элемента. Таким образом, за счет улучшения теплоотвода от электродов и мембраны по всей их рабочей площади при повышении равномерности распределения температуры повышается эффективность работы топливного элемента. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6

МПК / Метки

МПК: H01M 8/04, H01M 8/00

Метки: мембраной, охлаждения, элемент, ионообменной, топливный, варианты, системой

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/6-u7171-toplivnyjj-element-s-ionoobmennojj-membranojj-i-sistemojj-ohlazhdeniya-varianty.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения (варианты)</a>

Похожие патенты