Патент на изобретение №2351001

(54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, СПОСОБ ЕЕ ПУСКА И СПОСОБ ЕЕ ОСТАНОВА

(57) Реферат:

Данное изобретение относится к способам пуска и останова батареи топливных элементов, способствующим продлению срока эксплуатации. Процесс эксплуатации батареи топливных элементов включает нагревание и охлаждение модуля топливных элементов с продувкой анодных и катодных полей потока при помощи газовой смеси. В описанных примерах для продувки индивидуально выбираемых модулей батареи в ходе процедур останова или пуска применяется водородно-азотная газовая смесь, содержащая менее 2% водорода. В приведенном примере водородно-азотная смесь содержит менее 0,1% водорода. Технический результат – увеличение срока эксплуатации батареи топливных элементов. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится, в общем, к топливным элементам. Более конкретно, данное изобретение относится к способам пуска и останова батареи топливных элементов, способствующим продлению срока эксплуатации.

Уровень техники

Топливные элементы хорошо известны. Типичные конфигурации содержат модуль обработки топлива и пакет топливных элементов, или модуль топливных элементов. Способы функционирования батарей топливных элементов при выработке ими электроэнергии также известны.

Одной из важных и трудных проблем, стоящих перед разработчиками батарей топливных элементов, является продление эксплуатационного срока службы (далее – ресурса) экономичными способами. На ресурс батареи топливных элементов влияет ряд факторов. Например, способ останова работы батареи топливных элементов – то есть перевод ее из рабочего состояние в нерабочее состояние – оказывает влияние на интенсивность снижения эксплуатационных показателей, происходящего в процессе эксплуатации батареи топливных элементов. Более конкретно, окисление углеродистого носителя катализатора, происходящее под совместным воздействием температуры и электрохимических потенциалов, вызывает снижение эксплуатационных показателей со скоростью, которая зависит, по крайней мере частично, от процедур, посредством которых производится останов батареи топливных элементов.

Предлагались различные технические решения, направленные на увеличение ресурса батарей топливных элементов. Например, в патенте США No.5,045,414 предлагается применять газообразную смесь кислорода и азота в качестве очищающего продувочного газа катодной стороны фосфорнокислотных топливных элементов при выполнении операции останова. В этом патенте предлагается также использовать вспомогательную электрическую нагрузку с целью понижения катодного потенциала. В патенте U.S. No.6,519,510 предлагается снижать температуру топливных элементов от рабочей температуры до переходной температуры с частью топливных элементов, нагруженных реактивно, до начала процедур продувки. В патенте U.S. No.6,635,370 описываются процедуры останова и пуска, включающие выборочное управление потоком воздуха и снижением напряжения на контактах топливных элементов таким способом, который способствует увеличению их ресурса.

Специалисты в данной области постоянно стремятся к усовершенствованиям. Данное изобретение предлагает не имеющие аналогов процедуры останова и пуска, которые дают превосходные результаты в отношении увеличения срока полезной эксплуатации батареи топливных элементов.

Раскрытие изобретения

Взятая в качестве примера процедура пуска, применимая в процессе эксплуатации батареи топливных элементов, включает нагревание по крайней мере модуля топливных элементов и модуля обработки топлива с целью доведения температуры нагреваемых модулей до выбранной рабочей температуры. При нагревании этих модулей до рабочей температуры анодные и катодные поля потока модуля топливных элементов периодически очищаются водородно-азотной смесью, в которой содержание водорода составляет менее чем примерно 2%. В одном примере смесь содержит менее чем примерно 0,1% водорода.

Когда температура по крайней мере модуля обработки топлива станет соответствовать выбранной рабочей температуре, в модуль обработки топлива начинают поступать реагенты. Поток богатого водородом топлива в анодное поле потока начинает поступать, когда температура по крайней мере модуля топливных элементов становится соответствующей выбранной рабочей температуре. Любая вспомогательная электрическая нагрузка, подключенная к модулю топливных элементов, при этом блокирована.

Затем инициализируется поток воздуха к катодному полю потока, а модуль топливных элементов подключается к первичной электрической нагрузке, по крайней мере – к реактивной нагрузке.

Примерная процедура останова в процессе эксплуатации батареи топливных элементов включает снижение средней температуры модуля топливных элементов от рабочей температуры до выбранной сниженной температуры; при этом модуль топливных элементов соединен с реактивной нагрузкой. Как только выбранная температура достигнута, первичная электрическая нагрузка отсоединяется от модуля топливных элементов. Одновременно прекращается поступление воздуха к катодному полю потока в модуле топливных элементов, а подсоединение вспомогательной электрической нагрузки к модулю топливных элементов уменьшает напряжение на выводах модуля топливных элементов до значения, меньшего примерно 0,2 вольт на элемент.

Через катодное поле потока начинает прокачиваться поток водородно-азотной смеси, содержащей менее примерно 2% водорода. В одном примере объем используемой смеси равен по крайней мере примерно трехкратному объему пустот катодного поля потока. Поток богатого водородом топлива, поступавшего в модуль топливных элементов, прекращается, как и поток углеводородного топлива в модуль обработки топлива. Водородно-азотная смесь, содержащая менее чем примерно 2% водорода, начинает прокачиваться через анодное поле потока модуля топливных элементов и через модуль обработки топлива. В одном примере объем используемой смеси примерно равен по крайней мере трехкратному объему пустот анодного поля потока и объему модуля обработки топлива соответственно.

Затем модуль топливных элементов охлаждается до выбранной температуры нерабочего состояния (хранения). При охлаждении модуля топливных элементов катодное поле потока, анодное поле потока и модуль обработки топлива периодически продуваются водородно-азотной смесью, содержащей менее примерно 2% водорода.

Когда температура модуля топливных элементов достигает выбранного значения температуры хранения, катодное поле потока, анодное поле потока и модуль обработки топлива периодически продуваются водородно-азотной смесью, содержащей менее примерно 2% водорода.

В одном примере водородно-азотная смесь, применяемая на различных стадиях процедуры останова, содержит менее, чем примерно 0,1% водорода.

Различные особенности и преимущества данного изобретения станут очевидными к специалистам в данной области из следующего далее подробного описания воплощений, предпочтительных в настоящее время. Чертеж, прилагаемый к подробному описанию, может быть кратко описан следующим образом.

Краткое описание чертежей

На чертеже схематично показаны выбранные части, или модули, батареи топливных элементов, которая может функционировать с использованием процедур, разработанных в соответствии с каким-либо воплощением данного изобретения.

Осуществление изобретения

На чертеже схематично показана батарея 20 топливных элементов, которая включает модуль 22 топливных элементов. Как известно, модуль 22 топливных элементов содержит топливные элементы, имеющие анод 24 и катод 26. Как известно, анод 24 и катод 26 содержат слой катализатора и поле потока. Типичный модуль 22 топливных элементов включает пакет топливных элементов, имеющий группу анодов и катодов. В одном примере модуль 22 топливных элементов включает пакет фосфорнокислотных топливных элементов. Модуль 22 топливных элементов функционирует известным способом.

Модуль 28 обработки топлива функционирует известным способом. Модуль 28 обработки топлива включает известные элементы, такие как гидравлическую систему очистки от серосодержащих компонентов, паровой риформер и водно-газовый реактор-конвертор. В одном примере катализатор, применяемый в паровом риформере, является не благородным металлом, таким как никель, а катализатор в реакторе-конвертере является не благородным металлом, таким как медь. По известным причинам риформер, содержащий никель, должен быть очищен инертным газом в ходе процедуры останова, чтобы предотвратить формирование карбонила никеля. Реактор-конвертер, содержащий медь, должен быть очищен инертным газом в ходе процедуры останова, чтобы предотвратить окисление меди, которое, если указанная операция не выполняется, снижает активность катализатора.

В одном примере модуль 28 обработки топлива содержит катализатор из благородного металла в риформере и в реакторе-конвертере. Такие компоненты модуля 28 обработки топлива, которые содержат благородный металл, могут подвергаться воздействию воздуха без неблагоприятных последствий. Нет надобности в ходе процедуры останова или пуска очищать водородно-азотной смесью такие содержащие благородные металлы компоненты. В этом примере только модуль обработки топлива следует очищать водородно-азотной смесью, как описано ниже. Таким образом, при обсуждении в данном описании очистки модуля обработки топлива следует иметь в виду, что ее следует применять только к таким компонентам, очистка которых приносит пользу.

Батарея 20 топливных элементов примера обладает увеличенным эксплуатационным сроком службы, в частности, благодаря тому, что не имеющие аналогов процедуры пуска и останова уменьшают скорость снижения эксплуатационных показателей со временем, что ведет к увеличению срока эксплуатации для и снижению стоимости электроэнергии, производимой батареей 20.

Примерная процедура пуска при эксплуатации батареи 20 топливных элементов включает нагревание по крайней мере модуля 22 топливных элементов и соответствующих частей модуля 28 обработки топлива и нагревание их до выбранной рабочей температуры. При нагревании этих частей до рабочей температуры анодное поле 24 потока и катодное поле 26 потока периодически очищаются продувочным газом, поступающим от источника 30.

В одном примере продувочный газ является смесью водорода и инертного газа, содержащей меньше чем примерно 2% водорода. В одном предпочтительном примере смесь содержит меньше чем примерно 0,1% водорода.

Водородно-азотная смесь в качестве продувочного газа является более предпочтительной, чем смесь азота и кислорода. Использование водородно-азотной смеси в описанных примерах приводит к сокращению скорости снижения эксплуатационных показателей и, как следствие, к увеличению срока эксплуатации батареи 20.

Продувочный газ, используемый в описываемом примере, является водородно-азотной смесью. Азот может быть заменен любым инертным газом, к которым относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Азот может также быть заменен любым газом, инертным по отношению к среде, создающейся в топливных элементах. Одним из примеров такого газа может служить двуокись углерода.

Когда температура по крайней мере модуля 28, обрабатывающего топливо, становится соответствующей выбранной рабочей температуре, начинается поступление потока реагентов в модуль 28, обрабатывающий топливо. Поступление потока богатого водородом топлива в поле потока анода 24 начинается, когда температура по крайней мере модуля 22 топливных элементов становится соответствующей выбранной рабочей температуре. Примерно на этом этапе процедуры с использованием известных способов блокируется любая вспомогательная электрическая нагрузка 40, подключенная к модулю топливных элементов. Иллюстрирующий пример включает вспомогательную нагрузку 40, которая применяется известными способами, для уменьшения потенциала, создаваемого топливными элементами, когда элементы находятся в нерабочем состоянии.

Затем инициализируется поток воздуха к полю потока катода 26, и применяются известные способы для соединения модуля 22 топливных элементов 22 с первичной электрической нагрузкой 42, которая является по крайней мере реактивной. В некоторых конфигурациях начальная нагрузка на модуль 22 топливных элементов будет большей, чем реактивная нагрузка, в связи с соответствующими состояниями первичной нагрузки 42.

Примерная процедура останова при работе батареи 20 топливных элементов предусматривает снижение средней температуры модуля 22 топливных элементов от рабочей температуры до выбранной сниженной температуры, когда первичная нагрузка 42, соединенная с модулем 22 топливных элементов части, является реактивной. В одном примере рабочая температура, большая чем примерно 350°F (177°C) при нагрузке, равной примерно 250 ампер/кв. фут (кв. фут = 929,030 см², 0,27 А/см²), а выбранная сниженная температура равна примерно 300°F (150°C) при нагрузке примерно 50 ампер/кв. фут (0,05 А/см²). Когда достигается выбранная температура, первичная электрическая нагрузка 42 отсоединяется от модуля 22 топливных элементов с помощью известных способов. Одновременно прекращается поступление потока воздуха к полю потока катода 26, а подсоединение вспомогательной электрической нагрузки 40 к модулю 22 топливных элементов уменьшает напряжение на выводах модуля 22 топливных элементов. В одном примере пониженное напряжение составляет меньше, чем примерно 0,2 вольт на элемент.

Поток водородно-азотной продувочной газовой смеси начинает протекать через поле потока катода 26. Богатый водородом поток топлива, поступавший в модуль 22 топливных элементов, прекращается, так как прекращается поток углеводородного топлива в модуль 28 обработки топлива. Водородно-азотная смесь из источника 30 начинает протекать через поле потока анода 24 и модуль 28, обработки топлива. В одном примере объем газа, используемого для продувки, равен по крайней мере примерно трехкратному объему пустот поля потока анода 24 и модуля 28 обработки топлива соответственно. В одном предпочтительном примере используемая для очистки водородно-азотная смесь, применяемая в процедуре останова, содержит менее чем примерно 0,1% водорода.

Затем модуль 22 топливных элементов охлаждается до выбранной температуры хранения. В одном примере температура хранения находится в пределах примерно 110-140°F (43-60°С). При охлаждении модуля 22 топливных элементов поле потока катода 26, поле потока анода 24 и модуль 28 обработки топлива периодически очищается водородно-азотной смесью.

Когда модуль 22 топливных элементов в одном примере охладится до выбранной температуры хранения, поле потока катода 26, поле потока анода 24 и модуль 28 обработки топлива периодически очищаются водородно-азотной смесью.

Одна не имеющая аналогов особенность процедуры останова в примере состоит в том, что поле потока катода 26 и модуль 28 обработки топлива продуваются водородно-азотной смесью. Продувание катода 26 замещает воздух или обедненный кислородом воздух соответственно во входных распределителях и выходных коллекторах для окислителя. Это приводит к более эффективному пассивированию катода 26 по сравнению с простым прекращением поступления воздуха к катоду 26.

Существуют потенциальные области применения для таких способов эксплуатации батарей топливных элементов, при которых топливо является чистым водородом, а не топливом, полученным с помощью риформинга углеводородного сырья. Одним их источников водорода такого класса является побочный продукт производства хлора с применением известного хлор-щелочного процесса. Такая батарея топливных элементов не обязательно должна включать модуль обработки топлива, описанный выше. Но все же в одном примере модуль топливных элементов такой батареи запускается и останавливается так, как описано выше.

Данные выше описания следует рассматривать как иллюстративные и не имеющие ограничительного характера. Вариации и модификации описанных примеров, которые могут оказаться очевидными для специалистов в данной области, не обязательно будут выходить из области, соответствующей сущности данного изобретения. Рамки патентно-правовой защиты данного изобретения могут быть определены только в результате изучения следующей далее формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации батареи топливных элементов, включающий модуль топливных элементов, отличающийся тем, что выполняют по крайней мере пуск или останов, при этом при пуске осуществляют нагревание модуля топливных элементов для доведения температуры модуля топливных элементов до выбранной рабочей температуры, при нагревании модуля топливных элементов осуществляют периодическую продувку анодных и катодных полей потока в модуле топливных элементов продувочной газовой смесью, после того, как температура модуля топливных элементов достигает выбранной рабочей температуры, инициализируют поступление потока богатого водородом топлива в поле потока анода, блокируют любую вспомогательную электрическую нагрузку, присоединенную к модулю топливных элементов, инициализируют поступление воздушного потока к катодному полю потока и присоединяют к модулю топливных элементов по крайней мере реактивную первичную электрическую нагрузку, при этом при выполнении останова снижают среднюю температуру модуля топливных элементов от рабочей температуры до выбранной сниженной температуры при присоединенном модуле топливных элементов к реактивной первичной электрической нагрузке, отсоединяют первичную электрическую нагрузку от модуля топливных элементов, прекращают поступление потока воздуха в катодное поле потока, при прекращении поступления потока воздуха присоединяют вспомогательную электрическую нагрузку к модулю топливных элементов при выполнении и тем самым понижают напряжение на клеммах модуля топливных элементов до значения, меньшего 0,2 В на элемент, обеспечивают поступление потока продувочной газовой смеси через катодное поле потока, прекращают поступление потока богатого водородом топлива в модуль топливных элементов, подают поток продувочной газовой смеси в анодное поле потока, охлаждают модуль топливных элементов до выбранной температуры хранения, при охлаждении модуля топливных элементов осуществляют периодическую продувку катодного поля потока и анодного поля потока продувочной газовой смесью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении останова после того, как модуль топливных элементов достигнет выбранной температуры хранения, осуществляют периодическую продувку катодного поля потока и анодного поля потока продувочной газовой смесью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют как пуск, так и останов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувочная газовая смесь содержит водород в количестве, меньшем чем 2%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении пуска продувочная газовая смесь содержит водородно-азотную смесь, содержащую менее чем примерно 0,1% водорода.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении останова на этапе снижения средней температуры модуля топливных элементов рабочая температура равна по крайней мере примерно 177°С, а выбранная сниженная температура равна примерно 150°С.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что рабочая температура соответствует нагрузке, примерно равной 0,27 А/см², а выбранная сниженная температура соответствует нагрузке, примерно равной 0,05 А/см².

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувочная газовая смесь, используемая при останове, содержит водородно-азотную смесь, содержащую менее чем примерно 0,1% водорода.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении останова на этапе охлаждения модуля топливных элементов выбранная температура хранения находится в пределах примерно от 43 до 60°С.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что батарея топливных элементов содержит модуль обработки топлива, при этом при осуществлении пуска на этапе нагревания модуля топливных элементов нагревают по крайней мере выбранный компонент модуля обработки топлива и тем самым доводят по крайней мере температуру выбранного компонента до выбранной рабочей температуры, и при соответствии температуры модуля обработки топлива выбранной рабочей температуре инициализируют поступление потока реагентов в по крайней мере выбранный компонент модуля обработки топлива.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что батарея топливных элементов включает модуль обработки топлива, при этом при осуществлении останова прекращение поступления потока богатого водородом топлива в модуль топливных элементов осуществляют посредством прекращения поступления потока углеводородного топлива к по крайней мере выбранному компоненту модуля обработки топлива, обеспечивают поступление потока продувочной газовой смеси в по крайней мере выбранный компонент модуля обработки топлива, осуществляют периодическую продувку по крайней мере выбранного компонента модуля обработки топлива с использованием продувочной газовой смеси.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что при выполнении останова после того, как температура модуля топливных элементов достигнет выбранной температуры хранения, осуществляют периодическую продувку по крайней мере выбранного компонента модуля обработки топлива, поля потока катода и поля потока анода продувочной газовой смесью.

13. Способ пуска батареи топливных элементов, имеющей модуль топливных элементов, отличающийся тем, что нагревают модуль топливных элементов и тем самым доводят температуру модуля топливных элементов до выбранной рабочей температуры, при нагревании осуществляют периодическую продувку анодных и катодных полей потока модуля топливных элементов продувочной газовой смесью, и после того, как температура части топливных элементов будет соответствовать выбранной рабочей температуре, инициализируют поступление потока богатого водородом топлива в анодное поле потока, блокируют любую вспомогательную электрическую нагрузку, присоединенную к модулю топливных элементов, инициализируют поступление потока воздуха к катодному полю потока, присоединяют модуль топливных элементов к по крайней мере реактивной первичной электрической нагрузке.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что продувочная газовая смесь содержит водород в количестве, меньшем 2%.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что продувочная газовая смесь содержит водородно-азотную смесь, содержащую меньше чем примерно 0,1% водорода.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что батарея топливных элементов содержит модуль обработки топлива, при этом нагревании модуля топливных элементов нагревают по крайней мере выбранный компонент модуля обработки топлива и тем самым доводят температуру по крайней мере выбранного компонента до выбранной рабочей температуры, и после того, как температура модуля обработки топлива будет соответствовать выбранной рабочей температуре, инициализируют поступление потока реагентов в по крайней мере выбранный компонент модуля обработки топлива.

17. Способ останова батареи топливных элементов, имеющей модуль топливных элементов, отличающийся тем, что при присоединенной части топливных элементов к реактивной первичной электрической нагрузке среднюю температуру модуля топливных элементов снижают от рабочей температуры до выбранной сниженной температуры, отсоединяют первичную электрическую нагрузку от модуля топливных элементов, прекращают поступление потока воздуха в катодное поле потока, причем присоединяют вспомогательную электрическую нагрузку к модулю топливных элементов, снижая тем самым напряжение на выводах модуля топливных элементов до величины, меньшей чем 0,2 В на элемент, обеспечивают поступление продувочной газовой смеси через катодное поле потока, прекращают поступление богатого водородом топлива к модулю топливных элементов, обеспечивают поступление продувочной газовой смеси в анодное поле потока, охлаждают модуль топливных элементов до выбранной температуры хранения, при этом осуществляют периодическую продувку катодного поля потока и анодного поля потока продувочной газовой смесью.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что после того, как модуль топливных элементов достигнет выбранной температуры хранения, осуществляют периодическую продувку катодного поля потока и анодного поля потока продувочной газовой смесью.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что рабочая температура этапа (А) равна по крайней мере примерно 177°С, а выбранная сниженная температура примерно равна 150°С.

20. Способ по п.17, отличающийся тем, что продувочная газовая смесь содержит водород в количестве, меньшем 2%.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что продувочная газовая смесь содержит водородно-азотную смесь, содержащую меньше, чем примерно 0,1% водорода.

22. Способ по п.17, отличающийся тем, что выбранная температура хранения находится в пределах примерно от 43 до 60°С.

23. Способ по п.17, отличающийся тем, что батарея топливных элементов содержит модуль обработки топлива, при этом прекращение поступления богатого водородом топлива к модулю топливных элементов осуществляют посредством прекращения поступления углеводородного топлива по крайней мере в выбранный компонент модуля обработки топлива, при этом обеспечивают поступление продувочной газовой смеси, содержащей менее чем примерно 2% водорода, в по крайней мере выбранный компонент модуля обработки топлива и осуществляют периодическую продувку по крайней мере выбранного компонента модуля обработки топлива с использованием продувочной газовой смеси.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что после того, как температура модуля топливных элементов достигает выбранной температуры хранения, периодически осуществляют продувку по крайней мере выбранного компонента модуля обработки топлива, катодного поля потока и анодного поля потока с продувочной газовой смесью.

РИСУНКИ