RU2448394C2

RU2448394C2 - Method to operate battery of fuel elements (versions) and battery of fuel elements

Info

Publication number: RU2448394C2
Application number: RU2007129106/07A
Authority: RU
Inventors: Ричард Д. БРО (US); Ричард Д. БРО; Карл Дж. РОРБАХ (US); Карл Дж. РОРБАХ
Original assignee: ЮТиСи Пауэ Копэрейшн
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2012-04-20
Also published as: RU2007129106A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: battery 20 of fuel elements comprises an electrochemically active part 40, which functions at the average working temperature with average temperature in the range of approximately from 171°C to 182°C during the entire actual service life of the battery service life. Maximum and minimum working temperatures of the electrochemically active part may protrude beyond the limits of the range of average working temperatures. In one of the examples the electrochemically active part has the minimum temperature higher than approximately 149°C, the maximum temperature lower than approximately 204°C.

EFFECT: increased service life of fuel element operation.

27 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

В общем смысле данное изобретение относится к топливным элементам. А в частности, данное изобретение относится к эксплуатации топливного элемента при определенных температурах с целью достижения увеличения срока эксплуатации топливного элемента.In a general sense, this invention relates to fuel cells. And in particular, this invention relates to the operation of a fuel cell at certain temperatures in order to achieve an increase in the life of a fuel cell.

Уровень техникиState of the art

Топливные элементы широко известны и все больше используются во множестве областей применения. Один из типов топливных элементов известен как топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) и используется, например, для стационарной выработки электроэнергии.Fuel cells are widely known and are increasingly used in a variety of applications. One type of fuel cell is known as a phosphoric acid fuel cell (PAFC) and is used, for example, for stationary power generation.

Одним из недостатков известных PAFC является то, что обычно пакетные модули топливных элементов каждые пять лет нуждаются в замене. По истечении этого времени эксплуатационные характеристики такого пакетного модуля ухудшаются и не соответствуют достаточному или приемлемому для большинства случаев применения уровню. Обычно ухудшение эксплуатационных характеристик является результатом того, что каталитический слой частично заливается электролитом. Совместное воздействие электродного потенциала и рабочих температур в пакетном модуле топливного элемента с течением времени приводит к окислению поверхности угольного носителя катализатора, что влечет за собой залив и ухудшение эксплуатационных характеристик.One of the drawbacks of the known PAFCs is that typically packaged fuel cell modules need to be replaced every five years. After this time, the operational characteristics of such a packet module deteriorate and do not correspond to a level sufficient or acceptable for most applications. Typically, performance degradation results from the fact that the catalytic layer is partially flooded with electrolyte. The combined effect of the electrode potential and operating temperatures in the batch module of the fuel cell over time leads to the oxidation of the surface of the carbon catalyst carrier, which entails the filling and deterioration of performance.

Желательно создать усовершенствованную батарею топливных элементов, не требующую такой частой замены пакетного модуля, как это имеет место в уже известных батареях. Данное изобретение решает эту проблему.It is desirable to create an improved fuel cell battery that does not require such a frequent replacement of the packet module, as is the case with already known batteries. The present invention solves this problem.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Пример батареи топливных элементов, которая работает в соответствии с осуществлением изобретения, включает электрохимически активную часть, которая функционирует при средней температуре в интервале от приблизительно 340°F (171°С) до приблизительно 360°F (182°C) в течение всего срока нормальной эксплуатации батареи. По сравнению с батареями, работающими в интервале стандартных рабочих температур, для одного из примеров при использовании средней рабочей температуры в указанном интервале удалось удвоить период нормальной эксплуатации батареи топливных элементов.An example of a fuel cell battery that operates in accordance with an embodiment of the invention includes an electrochemically active portion that operates at an average temperature in the range of from about 340 ° F (171 ° C) to about 360 ° F (182 ° C) throughout the normal battery operation. Compared with batteries operating in the range of standard operating temperatures, for one example, using the average operating temperature in the indicated interval, the period of normal operation of the battery of fuel cells was doubled.

Пример способа эксплуатации батареи топливных элементов включает определение зависимости между температурой электрохимически активной части батареи и эксплуатационными характеристиками с течением времени. Основывающийся на определенной взаимосвязи выбор средней рабочей температуры служит для достижения желаемого минимального уровня эксплуатационных свойств в течение желаемого минимального периода времени.An example of a method for operating a fuel cell battery includes determining the relationship between the temperature of the electrochemically active portion of the battery and the performance over time. Based on a specific relationship, the choice of average operating temperature serves to achieve the desired minimum level of performance over the desired minimum time period.

В одном из примеров средняя рабочая температура задается в интервале от приблизительно 340°F (171°С) до приблизительно 360°F (182°С).In one example, the average operating temperature is set in the range from about 340 ° F. (171 ° C.) to about 360 ° F. (182 ° C.).

Один из примеров включает выбор минимальной рабочей температуры, меньшей, чем температура, являющаяся нижним пределом интервала средних рабочих температур. В одном из примеров минимальная рабочая температура составляет приблизительно 300°F (149°C). Другой пример включает выбор такой максимальной рабочей температуры для электрохимически активной части батареи топливных элементов, которая превышает верхний предел интервала средних рабочих температур. В одном из примеров максимальная температура составляет приблизительно 390°F (199°С).One example involves selecting a minimum operating temperature that is lower than the temperature that is the lower limit of the average operating temperature range. In one example, the minimum operating temperature is about 300 ° F (149 ° C). Another example involves the selection of such a maximum operating temperature for the electrochemically active part of the fuel cell battery that exceeds the upper limit of the average operating temperature range. In one example, the maximum temperature is about 390 ° F (199 ° C).

Для сведущих в этой области техники лиц разнообразные свойства и преимущества данного изобретения станут очевидными из подробного описания данного предпочтительного варианта осуществления изобретения. Чертежи, прилагаемые к подробному описанию, кратко могут быть охарактеризованы следующим образом.For those skilled in the art, the diverse properties and advantages of this invention will become apparent from the detailed description of this preferred embodiment of the invention. The drawings accompanying the detailed description can be briefly described as follows.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг.1 схематично изображена батарея топливных элементов.1 schematically depicts a battery of fuel cells.

На Фиг.2 представлен график временной зависимости температуры и эксплуатационных характеристик топливного элемента.Figure 2 presents a graph of the time dependence of temperature and operational characteristics of the fuel cell.

На Фиг.3 представлен пример графика зависимости эксплуатационных характеристик топливного элемента во времени.Figure 3 presents an example graph of the dependence of the operational characteristics of the fuel cell over time.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Фиг.1 схематично иллюстрирует батарею 20 топливных элементов. Пакетный модуль элементов включает группу анодов 22 и катодов 24 на противоположных сторонах узла 26 электролита. Они функционируют известным образом. В одном из примеров узел 26 электролита включает фосфорную кислоту, таким образом, батарея известна как батарея топливных элементов на основе фосфорной кислоты.1 schematically illustrates a fuel cell battery 20. The batch cell module includes a group of anodes 22 and cathodes 24 on opposite sides of the electrolyte assembly 26. They function in a known manner. In one example, the electrolyte assembly 26 includes phosphoric acid, thus, a battery is known as a phosphoric acid fuel cell battery.

Иллюстрированный пример также включает охладители 30, функционирующие известным образом и имеющие вышеупомянутые вход 32 для охлаждающей жидкости и выход 34 для охлаждающей жидкости.The illustrated example also includes chillers 30 operating in a known manner and having the aforementioned coolant inlet 32 and a coolant outlet 34.

Известно, что батареи топливных элементов имеют разную температуру в различных частях внутри батареи. Согласно цели обсуждения упоминается, что электрохимически активные участки, в которых имеется наложение между катализаторами в катоде 24 и аноде 22, рассматриваются как электрохимически активная часть 40 батареи 20 топливных элементов. Известно также, что в электрохимически активной части температура может изменяться, поскольку имеются локальные колебания плотности тока, а также из-за конфигурации охладителей 30. Например, имеются температурные градиенты в направлении потока охлаждающей жидкости внутри пакета элементов и в аксиальном направлении по причине расположения нескольких элементов между охладителями, а также направления теплового потока от элементов к охладителям. Температуры внутри батареи также меняются по мере изменения расхода мощности элементов.It is known that fuel cell batteries have different temperatures in different parts within the battery. According to the purpose of the discussion, it is mentioned that electrochemically active regions in which there is overlap between the catalysts in the cathode 24 and the anode 22 are considered as the electrochemically active portion 40 of the fuel cell stack 20. It is also known that in the electrochemically active part the temperature can change, because there are local fluctuations in the current density, and also due to the configuration of the coolers 30. For example, there are temperature gradients in the direction of flow of the coolant inside the package of elements and in the axial direction due to the location of several elements between coolers, as well as the direction of the heat flow from the elements to the coolers. Temperatures inside the battery also change as the power consumption of the cells changes.

Одним из свойств батарей топливных элементов является то, что рабочая температура электрохимически активной части оказывает прямое воздействие на период нормальной эксплуатации батареи. На Фиг.2, например, показан график 50 коэффициента распада относительно 400°F (204°С) в зависимости от рабочей температуры. Кривая 52 отражает один из примеров зависимости ухудшения эксплуатационных характеристик элемента и температуры. Из Фиг.2 очевидно, что повышенные температуры вызывают увеличение скорости распада, что в свою очередь выражается в уменьшении периода нормальной эксплуатации батареи топливного элемента. Согласно примеру осуществления данного изобретения, зависимость температуры и эксплуатационных характеристик во времени используется в качестве решающего фактора при выборе интервала рабочих температур для батареи топливных элементов.One of the properties of fuel cell batteries is that the operating temperature of the electrochemically active part has a direct effect on the normal battery life. Figure 2, for example, shows a graph 50 of the decay coefficient relative to 400 ° F (204 ° C) depending on the operating temperature. Curve 52 reflects one example of a relationship between cell degradation and temperature. From figure 2 it is obvious that elevated temperatures cause an increase in the decay rate, which in turn is expressed in a decrease in the period of normal operation of the fuel cell battery. According to an embodiment of the present invention, the dependence of temperature and performance over time is used as a decisive factor in the selection of the operating temperature range for a fuel cell battery.

Согласно традиционному подходу, рабочие условия энергоустановки с топливным элементом на основе фосфорной кислоты выбирались с целью достижения максимальных исходных эксплуатационных характеристик и коэффициента полезного действия энергоустановки. Использование данного подхода требует рабочих температур, которые задаются на основе ограничений по материалам, используемым в батареи элементов. При выборе рабочих температур для электрохимически активной части 40 этот подход не учитывает ухудшение эксплуатационных характеристик как решающий фактор. Таким образом, модель подхода, впервые раскрытого в данном описании, основывается на решающих факторах, не используемых при традиционном подходе.According to the traditional approach, the operating conditions of a power plant with a phosphoric acid fuel cell were selected in order to achieve maximum initial operational characteristics and efficiency of the power plant. Using this approach requires operating temperatures, which are set based on restrictions on the materials used in the battery cells. When choosing operating temperatures for the electrochemically active part 40, this approach does not take into account the deterioration of performance as a decisive factor. Thus, the model of the approach first disclosed in this description is based on decisive factors not used in the traditional approach.

Пример батареи топливных элементов, разработанный согласно осуществлению данного изобретения, включает интервал средних рабочих температур для электрохимически активной части 40, который определяется с целью достижения, по крайней мере, минимального уровня эксплуатационных характеристик (т.е. номинальной выходной мощности) в течение определенного периода времени. Один из примеров предусматривает среднюю рабочую температуру электрохимически активной части 40, находящуюся в пределах от приблизительно 340°F (171°С) до приблизительно 360°F (182°C). Этот интервал средних рабочих температур считается таковым в течение периода нормальной эксплуатации батареи топливных элементов. Разумеется, по известным причинам рабочие температуры будут несколько меняться.An example of a fuel cell battery developed in accordance with an embodiment of the present invention includes an average operating temperature range for the electrochemically active portion 40, which is determined to achieve at least a minimum level of performance (i.e., rated output power) over a period of time . One example provides an average operating temperature of the electrochemically active portion 40 ranging from about 340 ° F. (171 ° C.) to about 360 ° F. (182 ° C.). This range of average operating temperatures is considered to be such during the period of normal operation of the fuel cell battery. Of course, for well-known reasons, operating temperatures will vary somewhat.

В одном из примеров максимальная рабочая температура для электрохимически активной части 40, не попадающая в интервал средних рабочих температур, находилась в пределах от приблизительно 380°F (193°C) до приблизительно 400°F (204°C). Поддерживание максимальной температуры на этом уровне или ниже, чем в пределах данного интервала, замедляет ухудшение эксплуатационных характеристик, которое напрямую зависит от повышенных температур в батарее топливных элементов. В одном из предпочтительных примеров максимальная рабочая температура для электрохимически активной части 40 составляет 390°F (199°C). Эта максимальная рабочая температура вероятнее всего будет иметь место у элементов, располагающихся в центре пакета элементов между охладителями.In one example, the maximum operating temperature for the electrochemically active portion 40, not falling within the range of average operating temperatures, ranged from about 380 ° F (193 ° C) to about 400 ° F (204 ° C). Maintaining the maximum temperature at this level or lower than within this interval slows down the performance degradation, which directly depends on the elevated temperatures in the fuel cell battery. In one preferred example, the maximum operating temperature for the electrochemically active portion 40 is 390 ° F (199 ° C). This maximum operating temperature is most likely to occur for elements located in the center of the package of elements between coolers.

В одном из примеров абсолютный минимум температуры электрохимически активной части при рабочих условиях составляет, по крайней мере, 300°F (149°С). Поддерживание минимальной температуры, по крайней мере, 300°F (149°C) является предпочтительным для минимизации отравления анодного катализатора угарным газом, присутствующим в преобразованном топливе.In one example, the absolute minimum temperature of the electrochemically active part under operating conditions is at least 300 ° F (149 ° C). Maintaining a minimum temperature of at least 300 ° F (149 ° C) is preferred to minimize carbon monoxide poisoning of the anode catalyst present in the converted fuel.

Части батареи топливных элементов, которые не являются электрохимически активными и не входят в состав электрохимически активной части 40, например зоны конденсации кислоты, которые функционируют известным способом, могут работать при более низких температурах. Допустимый интервал для частей, которые не являются электрохимически активными частями батареи топливных элементов, может отличаться от интервала для электрохимически активной части 40 и может выбираться, исходя из необходимости в каждой конкретной ситуации.Parts of a battery of fuel cells that are not electrochemically active and are not part of the electrochemically active portion 40, for example, acid condensation zones that function in a known manner, can operate at lower temperatures. The allowable interval for parts that are not the electrochemically active parts of the fuel cell battery may differ from the interval for the electrochemically active parts 40 and may be selected based on the need for each specific situation.

Например, в одном из случаев вход 32 для охлаждающей жидкости имеет рабочую температуру приблизительно 270°F (132°C), а выход 34 для охлаждающей жидкости имеет соответствующую температуру приблизительно 337°F (169°C). Эти примеры температур соответствуют средней рабочей температуре электрохимически активной части - 350°F (177°C) и максимальной температуре электрохимически активной части 40-390°F (199°С).For example, in one case, the coolant inlet 32 has an operating temperature of approximately 270 ° F (132 ° C), and the coolant outlet 34 has a corresponding temperature of approximately 337 ° F (169 ° C). These temperature examples correspond to an average operating temperature of the electrochemically active portion of 350 ° F (177 ° C) and a maximum temperature of the electrochemically active portion of 40-390 ° F (199 ° C).

Известные топливные элементы на основе фосфорной кислоты функционируют при давлениях реагентов, значения которых приблизительно соответствуют следующему диапазону: давление окружающего воздуха - десять атмосфер. Известно, что с увеличением давления увеличивается скорость распада. Это является результатом окисления угольных носителей катализатора, которые больше смачиваются при высоких давлениях. В одном из примеров батареи топливных элементов, разработанной согласно осуществлению данного изобретения, предпочтительное рабочее давление приблизительно совпадает с окружающим давлением (т.е. приблизительно около 14,7-20 фунт/кв.дюйм (100-140 кПа)).Known phosphoric acid fuel cells operate at reagent pressures, the values of which approximately correspond to the following range: ambient air pressure - ten atmospheres. It is known that with increasing pressure, the decay rate increases. This is the result of the oxidation of carbon catalyst supports, which are more wettable at high pressures. In one example of a fuel cell battery designed in accordance with an embodiment of the present invention, the preferred operating pressure is approximately the same as ambient pressure (i.e., approximately 14.7-20 psi (100-140 kPa)).

В некоторых примерах выбор интервала средних рабочих температур для электрохимически активной части, основанный на зависимости эксплуатационных характеристик от времени, обеспечит более низкое выходное напряжение и меньший коэффициент полезного действия в начале эксплуатации топливного элемента по сравнению с топливными элементами, для которых при выборе рабочих температур используется традиционный подход. Однако, согласно идее данного изобретения, среднее напряжение и коэффициент полезного действия превышают аналогичные показатели элементов, работающих при более высоких температурах. Кроме того, согласно идее данного изобретения топливный элемент способен обеспечить повышенную выходную мощность для увеличения срока службы. В одном из примеров срок полезного использования батареи топливных элементов удваивается по сравнению с аналогично скомпонованной батареей, работающей в традиционном температурном интервале.In some examples, the choice of the average operating temperature range for the electrochemically active part, based on the dependence of performance on time, will provide a lower output voltage and lower efficiency at the start of operation of the fuel cell compared to fuel cells for which the traditional an approach. However, according to the idea of the present invention, the average voltage and coefficient of performance exceed that of cells operating at higher temperatures. In addition, according to the idea of the present invention, a fuel cell is capable of providing increased output power to increase a service life. In one example, the useful life of a fuel cell battery is doubled compared to a similarly configured battery operating in a traditional temperature range.

Фиг.3 изображает график 60 зависимости напряжения в элементе от времени. Первая кривая 62 показывает один из примеров такой зависимости в батарее топливных элементов, для которой используется интервал средних рабочих температур, соответствующий описанному выше примеру. Кривая 64 показывает соответствующим образом скомпонованная батарея топливных элементов, для которой используется традиционный интервал более высоких рабочих температур. Хотя кривая 64 демонстрирует более высокую выходную мощность в начале цикла эксплуатации топливного элемента, увеличение скорости распада подтверждает, что топливный элемент с интервалом рабочих температур согласно данному изобретению производит больше энергии, имея при этом более высокий коэффициент полезного действия, и этот процесс происходит в течение гораздо более длительного периода нормальной эксплуатации. На показанном примере видно, что пожертвовав исходными эксплуатационными характеристиками и коэффициентом полезного действия, можно замедлить скорость распада и получить абсолютное среднее увеличение количества энергии, что приводит к уменьшению затрат на цикл эксплуатации и уменьшению стоимости электричества, вырабатываемого батареей топливного элемента. Хотя данное изобретение описывается в связи с батареей топливных элементов на основе фосфорной кислоты (PAFC), оно может использоваться и для других топливных элементов, таких как топливные элементы на основе высокотемпературного полимерного электролита.Figure 3 depicts a graph 60 of the dependence of the voltage in the cell from time to time. The first curve 62 shows one example of such a relationship in a fuel cell stack for which an average operating temperature range corresponding to the example described above is used. Curve 64 shows a suitably arranged fuel cell battery for which the conventional range of higher operating temperatures is used. Although curve 64 shows a higher power output at the beginning of a fuel cell’s life cycle, an increase in decay rate confirms that a fuel cell with an operating temperature range according to this invention produces more energy, while having a higher efficiency, and this process takes much longer longer period of normal use. The example shown shows that by sacrificing the original performance and efficiency, you can slow down the decay rate and get an absolute average increase in the amount of energy, which reduces the cost of the operation cycle and reduces the cost of electricity generated by the fuel cell battery. Although the invention is described in connection with a phosphoric acid fuel cell (PAFC) battery, it can be used for other fuel cells, such as high temperature polymer electrolyte fuel cells.

Специалисты в данной области техники при наличии описания смогут выбрать приемлемые температурные значения, наилучшим образом подходящие для их конкретной ситуации.Those skilled in the art, if described, will be able to select acceptable temperature values that are best suited to their particular situation.

Приводимое выше описание по своей сущности является скорее иллюстративным, нежели вносящим ограничения. Возможны изменения и модификации вариантов воплощения данного изобретения описанных в примерах, которые специалистам покажутся очевидными и не обязательно будут являться отступлением от сущности данного изобретения. Объем правовой защиты данного изобретения может быть определен лишь в результате рассмотрения следующих пунктов формулы изобретения.The above description is intrinsically illustrative rather than restrictive. Changes and modifications are possible to the embodiments of the invention described in the examples, which will be apparent to those skilled in the art and will not necessarily constitute a departure from the essence of the invention. The scope of legal protection of this invention can only be determined by considering the following claims.

Claims

1. A method of operating a battery of fuel cells, characterized in that the temperature changes of the electrochemically active part of the battery are determined depending on the time of its operation, the range of average operating temperatures is selected based on the specified specific dependence from approximately 171 ° C to 182 ° C, at which at least the minimum required performance for at least a minimum short period of time.

2. The method according to claim 1, characterized in that the minimum operating temperature is chosen below the lowest temperature range of the average operating temperature, and the maximum working temperature is selected above the highest temperature interval of the average operating temperature.

3. The method according to claim 2, characterized in that the minimum operating temperature is approximately 149 ° C, and the maximum operating temperature is less than approximately 204 ° C.

4. The method according to claim 3, characterized in that the maximum operating temperature is approximately 199 ° C.

5. The method according to claim 1, characterized in that the operation of the fuel cell battery is carried out at a pressure that is approximately equal to the surrounding.

6. The method according to claim 1, characterized in that the fuel cell is a phosphoric acid fuel cell.

7. The method according to claim 1, characterized in that the fuel cell is a fuel cell based on a high temperature polymer electrolyte.

8. The method according to claim 1, characterized in that for the normal operation of the battery of fuel cells using the average operating temperature range.

9. The method according to claim 1, characterized in that the established relationship includes a period of time at least equal to the expected life of the battery of fuel cells.

10. The method according to claim 1, characterized in that for the normal operation of the fuel cell battery during the entire life of the fuel cell battery, the selected operating range of average temperatures is used.

11. A method of operating a fuel cell battery, characterized in that the average operating temperature of the electrochemically active part of the fuel cell battery is controlled to be maintained within the range of average operating temperatures from about 171 ° C to 182 ° C over the entire actual battery life.

12. The method according to claim 11, characterized in that the minimum temperature of the electrochemically active part is maintained at least at about 149 ° C.

13. The method according to claim 11, characterized in that the maximum temperature of the electrochemically active part is maintained at a level of less than approximately 204 ° C.

14. The method according to claim 11, characterized in that the electrochemically active part is heated to a maximum temperature of approximately 199 ° C.

15. The method according to claim 11, characterized in that the operation of the battery of fuel cells is carried out at a pressure approximately equal to the surrounding.

16. The method according to claim 11, characterized in that the fuel cell is a phosphoric acid fuel cell.

17. The method according to claim 11, characterized in that the fuel cell is a fuel cell based on a high temperature polymer electrolyte.

18. The method according to claim 11, characterized in that for the normal operation of the battery of fuel cells using the operating range of average temperatures.

19. A battery of fuel cells containing an electrochemically active part, characterized in that the electrochemically active part is installed with the possibility of operation at an average temperature in the range from about 171 ° C to 182 ° C for the entire actual battery life.

20. The battery according to claim 19, characterized in that it is installed with the possibility of operation at a pressure approximately equal to the surrounding.

21. The battery according to claim 19, characterized in that the electrochemically active part has a minimum temperature higher than approximately 149 ° C.

22. The battery according to item 21, wherein the electrochemically active part has a maximum temperature lower than approximately 204 ° C.

23. The battery according to item 22, wherein the maximum temperature is approximately 199 ° C.

24. The battery according to claim 19, characterized in that it contains a coolant inlet having a corresponding temperature of approximately 132 ° C and a coolant outlet having a corresponding temperature of approximately 169 ° C.

25. The battery according to claim 19, characterized in that it contains a phosphoric acid fuel cell.

26. The battery according to claim 19, characterized in that it contains a fuel cell based on a high temperature polymer electrolyte.

27. The battery according to claim 19, characterized in that the electrochemically active part operates under normal conditions and an average temperature.