Патент на изобретение №2399121
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СО ВСТРОЕННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ТЕКУЧИМИ СРЕДАМИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к топливным элементам с встроенной системой подачи рабочих сред. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов топливного элемента (ТЭ). Согласно изобретению ТЭ содержит пакет (А) расположенных в чередующемся порядке биполярных пластин и ионообменных мембран, причем этот пакет (А) зажат между двумя концевыми пластинами (В и С), при этом пакет (А) содержит каналы подачи и возврата текучих сред, необходимых для работы ТЭ, упомянутые текучие среды содержат, по меньшей мере, один горючий газ, упомянутые каналы сообщаются с системой управления текучими средами, содержащей элементы для регулирования определенных параметров работы, элементы для рециркуляции газов, не израсходованных ТЭ, и элементы для удаления воды, выработанной ТЭ, причем упомянутая система содержит соединения для подачи газов в ТЭ, при этом система управления текучими средами встроена, по меньшей мере, частично, внутрь в одной из концевых пластин. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 19 ил.
Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к топливным элементам. Более конкретно, оно относится к контурам подачи газов и охлаждающей жидкости топливного элемента. Предшествующий уровень техники Известно, что в топливный элемент надо подавать водород и воздух или чистый кислород. В общем случае его также нужно охлаждать, учитывая искомые плотности мощности; с этой целью через топливный элемент предпочтительно пропускают теплоноситель, такой как вода. Кроме того, следует регулировать некоторые важные параметры управления газами, такие как их давление, их температура, их влажность, а также скорость рециркуляции этих газов. Это требует довольно сложной и объемной системы управления газами, обычно такой же объемной, как и сам элемент. Топливный элемент содержит пакет биполярных пластин и ионообменных мембран, расположенных в чередующемся порядке. Пакет зажат между двумя концевыми пластинами. Каналы подачи и возврата текучих сред обычно расположены параллельно направлению укладки в пакет и оканчиваются в концевых пластинах или в одной из них, где стыкуются с каналами, связывающими пакет с указанной системой управления газами. Встраивание в одну из так называемых концевых пластин элементов системы управления текучими средами, используемыми топливным элементом, известно также из заявки на патент США Задачей изобретения является уменьшение габаритного размера упомянутой системы управления текучими средами с целью облегчения ее установки, например, в транспортном средстве. Другой задачей изобретения является разработка простой системы управления текучими средами, промышленное производство которой само по себе подходит для автоматизации с тем, чтобы помимо прочих преимуществ снизить издержки промышленного производства. Чтобы сделать топливный элемент полностью защищенным от утечки и придать равномерно распределенную электропроводность, пакет сжат стяжками, параллельными направлению укладки в пакет и закрепленными с той и другой стороны на концевых пластинах. Поэтому последние должны быть прочными, чтобы прикладывать достаточное и предпочтительно равномерное давление по всему поперечному сечению биполярных пластин и ионообменных мембран. Концевые пластины также должны выдерживать давление газов, присутствующих в системе. Краткое описание изобретения В изобретении предложена концевая пластина для топливного элемента, содержащая структурный блок, имеющий внутреннюю поверхность, предназначенную упираться в пакет отдельных ячеек, а также внешнюю поверхность, противоположную внутренней поверхности, и одну или несколько периферийных поверхностей, причем внутренняя поверхность имеет, по меньшей мере, два отверстия, предназначенные для подачи в находящийся внутри топливного элемента контур газа, при этом структурный блок содержит первую камеру и содержит канал подачи, оканчивающийся в стенке этой камеры, отличающаяся тем, что: первая камера предусмотрена между внутренней поверхностью и внешней поверхностью и ограничена со стороны внутренней поверхности и внешней поверхности стенкой структурного блока, причем эта камера является удлиненной, по существу, параллельно внутренней поверхности, открывается на периферийную поверхность и ограничена, по меньшей мере, одной заглушкой, установленной на упомянутой периферийной поверхности, внутри этой камеры установлен рециркуляционный корпус, расположенный там, где оканчивается канал подачи, причем рециркуляционный корпус установлен герметично на стенке упомянутой камеры, разделяя камеру на газорециркуляционную часть, оканчивающуюся в одном из упомянутых отверстий, и подающую часть, оканчивающуюся в другом из упомянутых отверстий, при этом рециркуляционный корпус содержит смесительный элемент, позволяющий смешивать новый газ, поступающий из канала подачи, и газ, поступающий из рециркуляционной части и позволяющий направлять эту смесь в другое отверстие. Благодаря изобретению возможно встраивать в упомянутые концевые пластины, предпочтительно – в одну из этих двух пластин, функцию управления текучими средами путем размещения там части элементов, необходимых для управления текучими средами, предпочтительно – всех элементов, принимающих активное участие в управлении всеми текучими средами. Это достигается за счет увеличения толщины такой концевой пластины, которое может оказаться невыгодным для механической функции концевой пластины или концевых пластин, но при этом позволяет проводить простую механическую обработку концевой пластины резанием, а также простую и надежную сборку различных элементов внутри последней. Это решение дает значительные преимущества с точки зрения габаритного размера, экономии веса, надежности и даже затрат на изготовление. Кроме того, оно позволяет легко создавать интерфейс между топливным элементом и транспортным средством, в котором установлен этот элемент, с помощью самоуплотняющихся муфт для текучих сред и разъемных электрических соединителей. Преимущественно, электрические соединители и муфты могут быть выполнены так, что топливный элемент, в который встроена система управления текучими средами, можно легко установить в транспортное средство и извлечь из него, что облегчает техническое обслуживание, ремонт или замену топливного элемента. В частности, благодаря созданию удлиненной камеры и установке рециркуляционного корпуса внутри этой камеры герметично на стенке камеры, камеру можно разделить на газоподающую часть, оканчивающуюся в одном из отверстий, и газорециркуляционную часть, оканчивающуюся в другом отверстии. Таким образом, в концевую пластину можно встроить многочисленные элементы, например те элементы, которые используются для регулирования определенных параметров работы. Это могут быть, например, насосы или электроклапаны для регулирования давления газа. Кроме того, можно устанавливать эти элементы на поточной производственной линии, причем число внешних труб снижается до минимума. Особенно выгодно устанавливать в одной из концевых пластин или встраивать в нее элементы для рециркуляции газов, не израсходованных топливным элементом. Это может быть, например, устройство с эффектом Вентури, позволяющее за счет притока нового газа всасывать газ, покидающий топливный элемент, и рециркулировать этот газ в нем. Предпочтительно, в одну из концевых пластин устанавливают или встраивают в нее элементы для отвода воды, выработанной топливным элементом. Вышеупомянутые элементы образуют часть системы управления одним из газов. Можно связать элементы управления одним из газов с одной из концевых пластин, а элементы управления другим газом – с другой из концевых пластин, или же можно связать все эти элементы лишь с одной концевой пластиной, как в примере, иллюстрирующем изобретение и подробно описываемом ниже. Можно даже связать с одной и той же концевой пластиной не только элементы управления газами, но и, – что весьма выгодно, – элементы управления теплоносителем. Конечно, элементы управления текучими средами можно разделить между обеими концевыми пластинами. Элементы управления газами и элементы управления теплоносителем можно также разделить между обеими концевыми пластинами. Как будет показано в приводимом ниже примере, все элементы системы управления всеми текучими средами, и газами, и теплоносителем, можно установить на концевых пластинах или встроить в них, или даже только в одну из них. Конечно, весьма выгодно было бы встроить в или установить в одну или обе концевые пластины лишь часть, а предпочтительно – большинство элементов системы управления текучими средами. Такую пластину можно назвать «системной пластиной». Поэтому такая концевая пластина сконфигурирована для контура газа. Конечно, изобретение также распространяется на концевую пластину, сконфигурированную включающей в себя элементы управления двумя газами (например, водородом и кислородом), то есть пластину с двумя конфигурациями, подобными той, которая описана выше. В соответствии с еще одним аспектом изобретения последнее также распространяется на концевую пластину, сконфигурированную для управления теплоносителем, используемым для охлаждения топливного элемента. Такая концевая пластина для топливного элемента, содержащая структурный блок, имеющий внутреннюю поверхность, предназначенную упираться в упомянутый пакет, причем эта внутренняя поверхность содержит, по меньшей мере, два отверстия, предназначенные быть связанными с находящимся внутри топливного элемента контуром теплоносителя, отличается тем, что структурный блок содержит камеру, образующую питатель теплоносителя, обеспечивая следующую компоновку: образующая питатель камера ограничена одной или несколькими стенками структурного блока; образующая питатель камера простирается между упомянутыми двумя отверстиями; внутри образующей питатель камеры герметично относительно стенки камеры расположен и установлен вкладыш, который содержит средство для обеспечения циркуляции теплоносителя избирательно в упомянутые отверстия. И, наконец, изобретение также распространяется на топливный элемент, содержащий пакет расположенных в чередующемся порядке биполярных пластин и ионообменных мембран, причем этот пакет зажат между двумя концевыми пластинами, и одна из концевых пластин является системной пластиной. Краткое описание чертежей Настоящее изобретение станет более понятным из подробного описания варианта реализации и нескольких подвариантов, иллюстрируемых с помощью прилагаемых чертежей, на которых: фиг.1 представляет собой принципиальную схему установки, содержащей топливный элемент, и связанную с ним систему управления газами; фиг.2 представляет собой схематичный вид сбоку топливного элемента согласно изобретению; фиг.3 представляет собой вид топливного элемента с направления Х, на фиг.2; фиг.4 представляет собой вид сверху топливного элемента на фиг.2; фиг.5 представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее топливный элемент согласно изобретению, вблизи приемной опоры, связанной с транспортным средством, но не соединенной с последним; фиг.6 представляет собой еще одно перспективное изображение концевой пластины по фиг.5, иллюстрирующее сторону, предназначенную упираться в пакет отдельных ячеек; фиг.7А, 7В, 7С и 7D иллюстрируют структурный блок, обеспечивающий реализацию концевой пластины по фиг.6; фиг.8 представляет собой вид сверху концевой пластины по фиг.5; фиг.9 представляет собой разрез вдоль линии I-I на фиг.8; фиг.10 представляет собой вид спереди концевой пластины по фиг.5; фиг.11 представляет собой разрез вдоль линии III-III на фиг.10; фиг.12 представляет собой разрез вдоль линии II-II на фиг.10; фиг.13 представляет собой разрез вдоль линии IV-IV на фиг.8; фиг.14, 15 и 16 схематически иллюстрируют подвариант со встроенными в концевую пластину насосом для циркуляции теплоносителя и термостатом, при этом в другую концевую пластину встроено средство управления газами. Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения Перед тем, как начать подробное описание, привлечем внимание читателя к принятым условным обозначениям позиций на чертежах. Позиции, начинающиеся буквой «Р», обозначают перфорационное отверстие, канал, цилиндрическую расточку, дырку или отверстие в концевой пластине. Рассмотрим пример отверстия, через которое текучая среда попадает в топливный элемент. Оно обозначено символом «Р7» в общем порядке, т.е. безотносительно той текучей среды, о которой идет речь. Позиции оканчиваются буквой «о», чтобы конкретнее указать газ – кислород или воздух, буквой «h» – чтобы конкретнее указать газ водород, и буквой «w», чтобы конкретнее указать теплоноситель. Позиции, начинающиеся буквой «А», относятся к пакету отдельных ячеек топливного элемента (и обычно называемому «пакетом»). Обозначения, начинающиеся буквой «С», указывают соединитель – электрический или предназначенный для газа или теплоносителя. Обозначения, начинающиеся буквой «Е», обозначают элемент, принадлежащий системе управления одной из текучих сред. Если обозначение, начинающееся буквой «Е», не оканчивается одной из букв «h», «o» или «w», то это означает, что элемент, о котором идет речь, является особым, т.е. не предназначенным только для одной из используемых текучих сред. На принципиальной схеме по фиг.1 показан топливный элемент FC, содержащий пакет А отдельных ячеек, в котором можно увидеть впускное отверстие A7h и выпускное отверстие A5h контура водорода, впускное отверстие A7w и выпускное отверстие A5w контура воды, используемой в качестве теплоносителя, а также впускное отверстие А7о и выпускное отверстие А5о контура кислорода. Внизу чертежа можно увидеть все соединения газа и воды, схематически представленные вокруг пунктирной линии. Работа топливного элемента описана не будет, поскольку предполагается, что она известна читателю. В этом описании термин «топливный элемент» обозначает систему, содержащую пакет отдельных электрохимических источников тока (ячеек) и связанных с ними элементов управления текучими средами. Следует также сказать, что описываемый здесь пример относится к топливному элементу, в который подается чистый кислород. В случае топливного элемента, в который подается сжатый окружающий воздух, контур управления воздухом включал бы в себя, по сравнению с контуром управления кислородом, некоторые переделки, в целом совместимые с предложенной изобретением встраиваемой конструкцией. Например, может быть встроен или не встроен воздушный компрессор в качестве средства регулирования влажности воздуха. Нижеследующее описание имеет целью продемонстрировать типологию, позволяющую встраивать в концевую пластину элементы управления текучими средами, используемыми топливным элементом. Функциональные элементы системы управления контуром водорода являются следующими (см. фиг.1): конденсатор Gh, устройство Vh с эффектом Вентури, обратный клапан E5h, электрический регулятор E2h давления, насос E8h, датчик E3h давления, клапан E1h сброса давления подачи, клапан E9h сброса давления в топливном элементе и продувочный электроклапан E10h. Элементы системы управления контуром воды являются следующими: деионизатор D и автоматический спускной клапан Е16. Элементы системы управления контуром кислорода являются следующими: конденсатор Go, устройство Vo Вентури, обратный клапан E5o, электрический регулятор E2o давления, насос E8o, датчик E3o давления, клапан E1o сброса давления подачи, клапан E9o сброса давления в топливном элементе, продувочный электроклапан E10o и поплавок Е17 для регулирования уровня воды, полученной при работе топливного элемента. На фиг.2 показан пакет А отдельных ячеек топливного элемента. Просто запомним, что каждая из отдельных ячеек пакета А содержит катод и анод, разделенные ионообменной мембраной, которые вместе образуют узел электродов и мембраны, известный под сокращенным названием МЭУ (мембранно-электродный узел). Этот пакет зажат между двумя концевыми пластинами В и b. Зажим обеспечивает непроницаемость системы и надлежащий электрический контакт между элементами. На фиг.3 показана концевая пластина В с подающими отверстиями P7h, P7w и P7o и рециркуляционными отверстиями P5h, P5w и P5o контуров газов и воды, расположенных внутри самого топливного элемента. Подающее отверстие P7h контура водорода сообщается с впускным отверстием A7h (см. фиг.1), через которое водород попадает в пакет А ячеек; рециркуляционное отверстие P5h контура водорода сообщается с выпускным отверстием A5h для неизрасходованного водорода, покидающего пакет А отдельных ячеек; подающее отверстие P7w контура охлаждающей воды сообщается с впускным отверстием A7w, через которое вода попадает в пакет А отдельных ячеек; рециркуляционное отверстие P5w контура воды сообщается с выпускным отверстием A5w, через которое вода покидает пакет А отдельных ячеек; и, наконец, подающее отверстие P7o контура кислорода сообщается с впускным отверстием А7о, через которое кислород попадает в пакет А отдельных ячеек, а рециркуляционное отверстие P5o контура кислорода сообщается с выпускным отверстием А5о, через которое кислород покидает пакет А ячеек. В соответствии с настоящим изобретением система управления газами и охлаждающей водой содержится в концевой пластине В. Концевая пластина В содержит структурный блок В1, достаточно толстый для того, чтобы в него вмещались три основных камеры P1w, P1h и P1o, которые можно увидеть, в частности, на фиг.4 и 7С. Преимущественно, камера Р1 расположена, по существу, параллельно внутренней поверхности В10. Она предпочтительно является, по существу, прямой, а более предпочтительно она имеет цилиндрическую форму. Фиг.7А, 7В, 7С и 7D позволяют лучше понять неограничительный вариант реализации настоящего изобретения. Начать можно с, по существу, параллелепипедного блока материала и продолжить механической обработкой резанием. На фиг.7А, 7В, 7С и 7D показан внешний вид концевой пластины B, когда в ней уже выполнены перфорационные отверстия, но еще не установлены элементы, необходимые для образования систем управления текучими средами. Можно ясно увидеть, что сама идея встраивания весьма подходит для производства в последовательных последовательностях с объединением всех однотипных операций в одной и той же последовательности. Во избежание внесения в остальное описание путаницы ненужными подробностями все операции механической обработки резанием и сборки, предусматриваемые в производстве функциональной системной пластины, описываться не будут. Целью является пояснение принципа идеи встраивания одной или нескольких систем управления в концевую пластину, а конкретные подробности, которые в любом случае зависят от точной схемы компоновки системы или систем управления текучими средами, конечно, могут изменяться. Начать можно с полученного выдавливанием блока, уже содержащего все перфорационные отверстия, параллельные направлению, в котором материал, из которого состоит блок, например алюминий, был выдавлен. Блок также можно изготовить посредством литья. Таким образом, предпочтительно все каналы Р2, Р3 подачи и возврата предусмотрены между внутренней поверхностью В10 и внешней поверхностью В12, удлинены, по существу, параллельно внутренней поверхности В10 и оканчиваются на той же периферийной поверхности В12, что и камера или камеры Р1. Какими бы ни были способы, целью преимущественно является получение трех основных камер P1w, P1h и Р1о, которые образуют параллельные полости (см., в частности, фиг.3), которые открываются, выходят на, по меньшей мере, одну сторону, то есть на периферийную поверхность, и даже на две стороны, что благоприятствует простой сборке элементов управления текучими средами. Внутри этих параллельных полостей будут установлены элементы, и каналы и элементы будут соединены, что позволяет создать три системы управления, соответственно, для контура водорода, контура теплоносителя и контура кислорода. На фиг.6 показана внутренняя поверхность В10 концевой пластины В согласно изобретению, предназначенная упираться в упомянутый пакет. Эта внутренняя поверхность имеет два отверстия P7h и P5h, предназначенные для подачи в контур водорода, проходящий сквозь пакет А отдельных электрохимических источников тока (ячеек), два отверстия P7o и P5o, предназначенные для подачи в контур кислорода, и два отверстия P7w и P5w, предназначенные для подачи в контур теплоносителя. Вся внешняя поверхность В11 и периферийная(ые) поверхность или поверхности В12 не находятся в контакте с пакетом А отдельных электрохимических источников тока (ячеек). Это дает возможность устанавливать на этих поверхностях некоторое количество элементов, необходимых для построения систем управления текучими средами, как можно увидеть на той же фиг.6 и особенно на фиг.5. На фиг.7С показано, что первая камера Р1 предусмотрена между внутренней поверхностью В10 и внешней поверхностью В11 в пределах толщины структурного блока В1. Она удлинена в направлении, параллельном внутренней поверхности В10 и ограничена сбоку стенкой Р10, в этом случае – цилиндрической. Цилиндрическая форма камеры, конечно, обусловлена лишь удобством механического изготовления; камера может иметь внешний вид параллелепипеда, по-прежнему будучи удлиненной, по существу, параллельно внутренней поверхности В10. Для облегчения сборки камера Р1 предпочтительно проходит сквозь весь структурный блок В1 и открыта на противоположных периферийных поверхностях В12, при этом камера Р1 ограничена двумя укупорочными приспособлениями, каждое из которых установлено на одной из периферийных поверхностей В12, например, такими, как заглушка E12h и сборник E7h (см. фиг.11). На фиг.5 показаны топливный элемент FC, согласно изобретению, и опора S, на которой его устанавливают посредством движения относительного сближения (см. двухстороннюю стрелку F1) и которая позволяет устанавливать различные соединения для текучих сред (электрические соединения, соединения для газов и соединения для теплоносителя) и позиционировать его механически. Контуры различных текучих сред, встроенных в концевую пластину В, имеют следующие особенности. Контур охлаждающей воды (см., в частности, фиг.9) Камера P1w ограничена в своей верхней части заглушкой E12w, установленной на периферийной поверхности В12. На заглушке E12w установлен спускной клапан Е16, чтобы обеспечить выпуск наружу газа, возможно присутствующего в воде. В нижний конец камеры P1w вставлен вкладыш E11w. В этот вкладыш заключены две самоуплотняющиеся муфты C1w и C2w, и он образует заглушку, которая закрывает камеру P1w на одном из ее концов. Вкладыш E11w содержит внутреннюю камеру P60w, сообщающуюся с отверстием P5w и с муфтой C2w. В нем также заключена трубка E61w, стенка которой является сплошной по высоте внутренней камеры и включает в себя множество отверстий P62w на части, простирающейся, по существу, вдоль всей длины камеры P1w. В объеме камеры P1w снаружи трубки E61w могут удерживаться кристаллы химического состава, подходящие для образования деионизатора D. Камера P1w образует питатель, который сообщается одной стороной с отверстием P7w, а другой стороной – с муфтой C1w. Вода поступает в концевую пластину В через соединитель C1w, по фиг.9, проходит через деионизатор D и попадает в топливный элемент через отверстие P7w. Поскольку верхний конец трубки E61w не закупорен, не весь поток проходит через упомянутые кристаллы. Это позволяет ограничить потерю напора. Экспериментальное наблюдение показывает, что деионизация оказывается достаточной. Как вариант, можно позаимствовать компоновку, напоминающую фильтр, что вынудило бы весь поток протекать через деионизатор. После прохождения в биполярных пластинах вода возвращается в концевую пластину В через отверстие P5w и покидает систему управления текучими средами через соединитель C2w, по фиг.9. Отметим, что соединитель C2w показан открытым, а соединитель C1w показан закрытым, чтобы яснее продемонстрировать их работу, но на практике оба эти соединителя открыты, когда топливный элемент установлен для работы, например, в транспортном средстве, или они оба закрыты, когда топливный элемент снят. Отметим также, и это является преимуществом настоящего изобретения, что во время своего прохождения через систему вода поддерживает всю системную пластину В при надлежащей температуре. Предпочтительно, концевая пластина, согласно изобретению, содержит, – помимо образующей питатель теплоносителя камеры P1w, – первую камеру (P1h) и вторую камеру (Р2о), которые обеспечивают компоновку систем управления водородом и кислородом, поясняемую ниже (см., например, фиг.4). Контур водорода (см., главным образом, фиг.11) Камера P1h простирается между отверстиями P5h и P7h, расположенными на внутренней поверхности B10 структурного блока В1. Камера P1h ограничена в своей верхней части заглушкой E12h, установленной на периферийной поверхности В12. На заглушке E12w установлен датчик E3h давления. Камера P1h ограничена в своей нижней части водосборником E7h, установленным на нижней части периферийной поверхности В12 структурного блока В1. На нижней части периферийной поверхности В12 установлен соединитель C1h (фиг.5). Этот соединитель C1h установлен поверх перфорационного отверстия, образующего упомянутый канал P2h подачи, по которому топливный элемент запитывается газообразным водородом (см. также фиг.7С – вид сверху структурного блока В1 – для идентификации различных перфорационных отверстий, включая канал P2h подачи). Канал P2h подачи связан с другим перфорационным отверстием, образующим вспомогательный канал Ph3, открывающийся в продувочное отверстие, причем упомянутый вспомогательный канал расположен, по существу, параллельно каналу подачи и соединен с последним, по меньшей мере, через клапан E1h сброса давления (фиг.5). Кроме того, вспомогательный канал P3h связан с пространством снаружи транспортного средства через соединитель C2h (фиг.5, фиг.6). В водосборнике E7h установлена продувочная погружная трубка E27h (фиг.11), которая связана с продувочным электроклапаном E10h (фиг.5 и 6), который сообщается со вспомогательным каналом P3h через продувочное перфорационное отверстие P8h, перпендикулярное вспомогательному каналу P3h. Канал P2h подачи оканчивается в стенке P10h камеры P1h (фиг.13) посредством прохода P4h, выполненного перпендикулярно каналу P2h подачи (см. фиг.7С). Внутри камеры P1h герметично на стенке P10h и на уровне прохода P4h расположен рециркуляционный корпус E6h (фиг.11). Корпус E6h разделяет камеру P1h на газоподающую часть P12h, оканчивающуюся в отверстии P7h, и газорециркуляционную часть P11h, оканчивающуюся в отверстии P5h. Чтобы лучше понять конструкцию рециркуляционного корпуса E6h, приглашаем читателя обратиться к фиг.13, которая показывает – в разрезе по плоскости, перпендикулярной плоскости фиг.11, – рециркуляционный корпус Е6о, используемый в камере F1o контура кислорода. Корпуса E6h и Е6о, а также устройства и средства, которые они содержат, идентичны. Каждый рециркуляционный корпус Е6 содержит первую полость Е61, вторую полость Е62 и третью полость E63. Вторая полость Е62 сообщается с проходом Р4 (см. позицию Р4о на фиг.13, при этом проход P4h для водорода не виден на фиг.11), с одной стороны, и с отверстием Е64 (см. позицию Е4о на фиг.13, при этом эквивалентное отверстие для контура водорода не видно на фиг.11), сообщающимся с электроклапаном E2h регулирования давления (фиг.5, 10 и 11). На фиг.7С показаны проходы P4h и Р4о, а другие детали конструкции того же типа не показаны во избежание загромождения чертежа. На рециркуляционном корпусе Е6 между (рециркуляционной) частью Р11 камеры Р1 и первой полостью Е61 установлен обратный клапан Е5. Перфорационное отверстие Р6 обеспечивает сообщение между первой полостью Е61 и третьей полостью E63. Кроме того, на структурном блоке В1 установлен рециркуляционный насос E8h (фиг.5 и 10) таким образом, что его сторона всасывания сообщается с частью Р11 камеры P1h, а его сторона нагнетения сообщается с первой полостью Е61. Исключительно в целях иллюстрации отметим, что и на стороне кислорода, и на стороне водорода можно использовать мембранный насос. Оба мембранных насоса E8h и Е8о преимущественно приводятся в действие одновременно единственным электродвигателем Е14. Электроклапан Е2 сообщается (в направлении вверх на фиг.11 и 13, т.е. вниз по течению относительно циркуляции газа) с карманом, оканчивающимся в сходящемся – расходящемся раструбе, образующем устройство V с эффектом Вентури. Полость E63 сообщается с областью снаружи сходящегося раструба. Газообразный водород поступает через соединитель C1h и проходит через канал P2h подачи в топливный элемент газообразного водорода, где он нагревается при контакте с концевой пластиной, поддерживаемой при рабочей температуре топливного элемента. Этот газ направляется по каналу P2h подачи в рециркуляционный корпус E6h. Газ (под давлением, регулируемым клапаном E2h) поступает в камеру P1h. Для верхней части P12h камеры P1h фиксируют уставку по давлению. Она фактически соответствует давлению, желательному на входе пакета А отдельных ячеек. Рециркулированный газ состоит из избытка неизрасходованного газа, покидающего топливный элемент через отверстие P5h (фиг.11). По прибытии в часть P11h камеры P1h жидкая вода, возможно присутствующая в газе, падает под действием силы тяжести в сборник E7h. Возможные остатки воды сливаются из системы наружу под действием электроклапана E10h, например, через регулярные интервалы времени. Рециркулированный газ проходит через обратный клапан E5h, попадая в полость Е61, откуда он может свободно проходить в полость Е63. Устройство V с эффектом Вентури образует средство, позволяющее смешивать новый газ, присутствующий в полости Е62, и рециркулированный газ, присутствующий в полости Е63, и позволяющее направлять эту смесь в часть P12h камеры P1h, а потом – в отверстие P7h. При малой мощности рециркуляция газа за счет эффекта Вентури уже недостаточна и поэтому приводят в действие рециркуляционный насос E8h. Он всасывает газ в части P11h камеры P1h и нагнетает его в полость Е61 камеры P1h. В этих условиях обратный клапан E5h закрыт. Таким образом, снизу вверх можно различить в камере P1h несколько ступеней: первую ступень ниже отверстия P5h, вторую ступень между отверстием P5h и рециркуляционным корпусом, третью ступень, соответствующую второй полости Е62, четвертую ступень, соответствующую третьей полости Е63, и пятую ступень между рециркуляционным корпусом и отверстием P7h. На структурном блоке установлен датчик E3h давления (фиг.5) для регистрации давления, преобладающего на этой 5-й ступени. Выше описано то, как можно встроить в концевую пластину систему управления водородом, подаваемым в топливный элемент. Концевая пластина В предпочтительно содержит вторую камеру Р1, которая обеспечивает компоновку, сходную компоновке первой камеры P1h, при этом контур газа, связанный с одной (P1h) из камер, является контуром водорода, а контур газа, связанный со второй (Р1о) из камер, является контуром кислорода (в этом случае – чистого кислорода). Контур кислорода (см., главным образом, фиг.12 и 13) Кислородная система идентична водородной системе, за исключением нижеследующих моментов: а. продувки направляются непосредственно в атмосферу через электроклапан Е10о (фиг.5). С этой целью наверху перфорационного отверстия Р3о предусмотрен фильтр Е20, обеспечивающий свободный выброс кислорода. Верх и низ перфорационного отверстия Р3о разделены заглушкой Е15. Низ перфорационного отверстия Р3о используется для слива воды из сборника Е7о; б. на стороне катода (кислорода) происходит значительная выработка воды в жидком виде. Эта вода, покидая топливный элемент, падает под действием силы тяжести на дно сборника Е7о. Поплавок Е17 регулирует раскрытие отверстия Е18 на входе погружной трубки Е19. Эта погружная трубка Е19 связана с перфорационным отверстием Р9о и далее – с перфорационным отверстием Р3о. Отсюда вода направляется наружи из системы наружу через соединитель С2о. Электрическая часть (см., главным образом, фиг.5) Управление функциями системы осуществляется электрически. С этой целью можно преимущественно установить вблизи концевой пластины, согласно изобретению, или на ней электронный модуль Е25 управления топливным элементом. Предпочтительно, концевая пластина, согласно изобретению, служит также опорой многоштырьковому соединителю (разъему) С4 для соединения электронного модуля Е25 управления с внешним оборудованием. Блок Е25 управления расположен сверху на структурном блоке В1. Он получает информацию от различных датчиков (в неисключительный список которых входят датчики E3h и Е3о давления, токоизмерительные датчики Е21, детектор Е26 расхода водорода и т.д.). Блок управления собирает эту информацию и воздействует на различные органы (катушки регуляторов E2h и Е2о давления, продувочные электроклапаны E10h и Е10о, электродвигатель Е14 насоса, защитный контактор Е22). Предпочтительно, концевая пластина, согласно изобретению, также содержит два электрических соединителя С3 питания, рассчитанных на ток, выдаваемый топливным элементом. И, наконец, согласно предпочтительному варианту реализации все электрические соединители и муфты для подачи газов или теплоносителя выполнены с возможностью совместного подключения посредством одного-единственного линейного движения относительного сближения между упомянутой пластиной и опорой S, предназначенной для ее приема (см. фиг.5). Фиг.14 иллюстрирует вариант реализации изобретения, в котором как концевая пластина В’, так и концевая пластина b’ содержат элементы управления текучими средами, используемыми топливным элементом. Например, управление теплоносителем встроено в одну из этих концевых пластин, а управление газами встроено в другую концевую пластину. Это может облегчить установку термостата E29w и циркуляционного насоса E30w для теплоносителя, как показано на фиг.15 и 16. Фиг.15 схематически иллюстрирует конфигурацию термостата E29w для случая, когда требуется охлаждение топливного элемента. Теплоноситель, прошедший через пакет А, возвращается наружу в радиатор. Фиг.16 иллюстрирует конфигурацию термостата E29w для случая, когда топливный элемент является холодным. Теплоноситель, прошедший через пакет, собирается непосредственно насосом для циркуляции в замкнутом контуре только внутри пакета с тем, чтобы сделать его постепенное нагревание равномерным. В заключение хотелось бы подчеркнуть, что польза изобретения заключается, в частности, в исключении многочисленных муфт, соединений, уплотнений, стыков или сварных швов, потому что все они являются источниками ненадежности, помимо тех издержек промышленного производства, которые они обуславливают. Схема компоновки системы или систем управления текучей средой или текучими средами как таковая не является предметом настоящего изобретения. По мнению заявителя раскрытый здесь принцип изготовления компактной системной пластины представляется совместимым со многими, – если не со всеми, – схемами компоновки систем управления текучими средами, даже если это означает, что некоторые элементы не встроены в такую концевую пластину или не установлены на ней. Изобретение также облегчает замену пакета электрохимических ячеек при повторном использовании концевой(ых) пластины или пластин, например, обеспечивая подсоединение быстро монтируемой системой, способной развивать достаточное контактное давление между пакетом и концевой пластиной, например, такую, как система с коленчатым рычагом. Системную пластину, согласно изобретению, также можно приспособить для подсоединения и вставки между двумя пакетами отдельных ячеек.
Формула изобретения
1. Концевая пластина (В) для топливного элемента, содержащая структурный блок (В1), имеющий внутреннюю поверхность (В10), предназначенную упираться в пакет отдельных ячеек, а также внешнюю поверхность (В11), противоположную внутренней поверхности, и одну или несколько периферийных поверхностей (В12), причем внутренняя поверхность имеет по меньшей мере два отверстия (Р5 и Р7), предназначенные для подачи в находящийся внутри топливного элемента контур газа, причем этот структурный блок (В1) содержит первую камеру (Р1) и содержит канал (Р2) подачи, оканчивающийся на стенке этой камеры (Р1), отличающаяся тем, что: 2. Концевая пластина по п.1, в которой камера (Р1) проходит через весь структурный блок (В1) и открывается на противоположные периферийные поверхности (В12), причем камера (Р1) ограничена двумя заглушками (Е12), каждая из которых установлена на одной из этих периферийных поверхностей (В12). 3. Концевая пластина по п.1 или 2, в которой все каналы (Р2, Р3) подачи и выпуска предусмотрены между внутренней поверхностью (В10) и внешней поверхностью (Р11), простираются, по существу, параллельно внутренней поверхности (В10) и открываются на ту же периферийную поверхность (В12), что и камера (Р1). 4. Концевая пластина по п.1, в которой камера (P1h) ограничена на своем конце, противоположном рециркуляционному корпусу (E6h), водосборником (E7h) и содержит продувочную погружную трубку (Е27), установленную внутри водосборника (E7h) и соединенную с продувочным электроклапаном (E10h). 5. Концевая пластина по п.1, в которой камера (Р1о) ограничена на своем конце, противоположном рециркуляционному корпусу, водосборником (Е7о) и содержит погружную трубку (Е19) для выпуска полученной воды, открытие которой регулируется поплавком (Е17). 6. Концевая пластина по п.1, содержащая вспомогательный канал (Р3), открывающийся в продувочное отверстие, причем упомянутый вспомогательный канал расположен, по существу, параллельно каналу (Р2) подачи и соединен с последним, по меньшей мере, через клапан (Е1) сброса давления. 7. Концевая пластина по п.1, содержащая вторую камеру, обеспечивающую компоновку, сходную компоновке первой камеры, при этом контур газа, связанный с одной (P1h) из камер, является контуром газообразного водорода, а контур газа, связанный с другой (Р1о) из камер, является контуром воздуха или кислорода. 8. Концевая пластина (В) для топливного элемента, содержащая структурный блок (В1), имеющий внутреннюю поверхность (В10), предназначенную упираться в упомянутый пакет, причем эта внутренняя поверхность содержит по меньшей мере два отверстия (P5w и P7w), предназначенные быть связанными с находящимся внутри топливного элемента контуром теплоносителя, отличающаяся тем, что структурный блок (В1) содержит камеру (P1w), образующую питатель теплоносителя, обеспечивая нижеследующую компоновку: 9. Концевая пластина по п.8, в которой камера (P1w) ограничена по меньшей мере одной заглушкой (E12w), установленной на периферийной поверхности (В12). 10. Концевая пластина по одному из пп.8 или 9, в которой вкладыш (E11w) образует заглушку, закупоривающую камеру (P1w) на одном из ее концов. 11. Концевая пластина по п.8, в которой вкладыш (E11w) содержит внутреннюю камеру (P60w), сообщающуюся с отверстием (P5w) и с муфтой (C2w). 12. Концевая пластина по п.11, в которой на вкладыше (E11w) установлена трубка (E61w), стенка которой имеет многочисленные отверстия и простирается по существу по всей длине упомянутой образующей питатель камеры. 13. Концевая пластина по п.8, содержащая помимо образующей питатель камеры (P1w) первую камеру (P1h) и вторую камеру (Р1о), обеспечивающие компоновку по одному из пп.1-7. 14. Концевая пластина по п.1, также содержащая два электрических соединителя (С3) питания, рассчитанных на ток, выдаваемый топливным элементом. 15. Концевая пластина по п.1, отличающаяся тем, что все электрические соединители и муфты для подачи газов или теплоносителя выполнены с возможностью простого подключения посредством линейного движения относительного сближения между упомянутой пластиной и опорой, предназначенной для ее приема. 16. Топливный элемент (FC), содержащий пакет (А) расположенных в чередующемся порядке биполярных пластин и ионообменных мембран, причем пакет (А) зажат между двумя концевыми пластинами (В и С), и одна из этих концевых пластин соответствует одному из пп.1-15. 17. Топливный элемент по п.16, в котором на одной из концевых пластин установлены или встроены в нее элементы для регулирования определенных параметров работы. 18. Топливный элемент по п.17, в котором на одной из концевых пластин установлены или встроены в нее элементы для рециркуляции газов, не израсходованных топливным элементом. 19. Топливный элемент по п.18, в котором на одной из концевых пластин установлены или встроены в нее элементы для удаления воды, выработанной топливным элементом. 20. Топливный элемент по п.16, в котором на одной из концевых пластин установлены или встроены в нее элементы для распределения теплоносителя. 21. Концевая пластина по п.8, также содержащая два электрических соединителя (С3) питания, рассчитанных на ток, выдаваемый топливным элементом. 22. Концевая пластина по п.8, отличающаяся тем, что все электрические соединители и муфты для подачи газов или теплоносителя выполнены с возможностью простого подключения посредством линейного движения относительного сближения между упомянутой пластиной и опорой, предназначенной для ее приема.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
364
