RU2254643C1

RU2254643C1 - Battery of hydrogen-oxygen (air) alkali fuel cells

Info

Publication number: RU2254643C1
Application number: RU2004102656/09A
Authority: RU
Inventors: З.Р. Каричев (RU); З.Р. Каричев
Original assignee: Каричев Зия Рамизович
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-06-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; fuel cell battery for various power installations such as vehicles or emergency power supplies.

SUBSTANCE: proposed fuel cell battery has at least two series-connected fuel cells each incorporating anode with hydrogen-sorbing alloy, oxygen (air) cathode, and additional electrode connected in parallel with cathode and made in the form of nickel oxide electrode disposed between anode and cathode; all electrodes are provided with external power leads; series connection of fuel cells is made between anode lead of one fuel cell and additional electrode lead of other fuel cell; cathode lead of each fuel cell is connected to additional electrode lead by means of switching device. Additional electrode is isolated from anode by matrix electrolyte and from cathode, by liquid electrolyte. Fuel elements are integrated with respect to liquid electrolyte to form common electrolyte loop. Switching device may be made in the form of electromechanical relay, intelligent switch, isolating diode, controlled diode, thyristor, or field-effect transistor.

EFFECT: fast reset, enhanced specific power characteristics, elongated service life.

9 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к батареям топливных элементов (БТЭ), используемым в энергоустановках различного назначения, например на транспортных средствах, или в качестве источника аварийного энергоснабжения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to batteries of fuel cells (BFCs) used in power plants for various purposes, for example, vehicles, or as a source of emergency power supply.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Известны батареи водородно-кислородных (воздушных) топливных элементов (ТЭ), используемых на транспортных средствах в качестве источника энергии. Однако эти БТЭ не могут обеспечить пиковую мощность, потребляемую транспортным средством при маневрах, и рекуперацию энергии при торможении. Для обеспечения указанных требований используется накопитель энергии, например аккумулятор, подключаемый параллельно с БТЭ (см. патент США 5929594, кл. H 02 J 7/00, 1999). Наличие дополнительного аккумулятора ухудшает удельные характеристики установки.Known batteries of hydrogen-oxygen (air) fuel cells (FCs) used in vehicles as an energy source. However, these BFCs cannot provide the peak power consumed by the vehicle during maneuvers and energy recovery during braking. To meet these requirements, an energy storage device is used, for example, a battery connected in parallel with a BFC (see US patent 5929594, CL H 02 J 7/00, 1999). The presence of an additional battery affects the specific characteristics of the installation.

Известна батарея водородно-кислородных ТЭ-аккумуляторов, представляющая собой батарею, в которой каждый ТЭ, совмещает в одном корпусе ТЭ и электролизер. ТЭ содержит водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, кислородный, электрод с кислородной камерой, электролит, расположенный между электродами, и емкости для хранения водорода и кислорода (см. патент США 4839247, Н 01 М 8/18, 1989). Недостатком известной батареи являются низкие удельные электрические характеристики из-за наличия емкостей для хранения водорода и кислорода. Кроме того, используемые в батарее ТЭ обладают ограниченным ресурсом из-за плохой обратимости кислородного электрода при циклировании (см. В.С.Багоцкий и др. Химические источники тока, Москва, Энергоиздат, 1981, с.255).A known battery of hydrogen-oxygen TE-batteries, which is a battery in which each TE combines in one housing TE and the cell. The fuel cell contains a hydrogen gas diffusion electrode with a hydrogen chamber, an oxygen electrode with an oxygen chamber, an electrolyte located between the electrodes, and containers for storing hydrogen and oxygen (see US patent 4839247, H 01 M 8/18, 1989). A disadvantage of the known battery is the low specific electrical characteristics due to the presence of containers for storing hydrogen and oxygen. In addition, the TEs used in the battery have a limited life due to poor reversibility of the oxygen electrode during cycling (see V.S. Bagotsky et al. Chemical current sources, Moscow, Energoizdat, 1981, p. 255).

Известна батарея ТЭ, каждый из которых содержит водородную и кислородную камеры с соответствующими электродами, разделенными электролитом. Для обеспечения длительной работоспособности ТЭ батареи содержат два типа электродов, одни из которых используются при заряде, а другие при разряде батареи (см. патент США 4074018, кл. Н 01 М 4/86, 1978). Недостатком рассматриваемой батареи является сложность конструкции из-за наличия двух типов электродов, размещенных в одном корпусе.A TE battery is known, each of which contains a hydrogen and an oxygen chamber with corresponding electrodes separated by an electrolyte. To ensure long-term operability of a FC, batteries contain two types of electrodes, one of which is used when charging, and the other when discharging a battery (see US Pat. No. 4,074,018, class H 01 M 4/86, 1978). The disadvantage of this battery is the design complexity due to the presence of two types of electrodes placed in one housing.

Из известных батарей водородно-кислородных (воздушных) щелочных ТЭ наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является БТЭ, содержащая, по крайней мере, два электрически последовательно соединенных ТЭ, каждый из которых содержит анод с водородсорбирующий сплавом, кислородный (воздушный) катод и дополнительный электрод, подключенный параллельно к катоду (см. патент США 6447942 В1, кл. Н 01 М 4/00, 2002). Недостаток рассматриваемой БТЭ связан с низкой обратимостью катода при циклировании и возможностью окисления подложки катода при заряде, что приводит к снижению ресурса.Of the known batteries of hydrogen-oxygen (air) alkaline fuel cells, the closest to the set of essential features and the technical result achieved is a BFC containing at least two electrically in series connected fuel cells, each of which contains an anode with a hydrogen-absorbing alloy, an oxygen (air) cathode and an additional electrode connected in parallel to the cathode (see US Pat. No. 6,447,942 B1, class H 01 M 4/00, 2002). The disadvantage of the considered BFC is associated with the low reversibility of the cathode during cycling and the possibility of oxidation of the cathode substrate during charging, which leads to a decrease in resource.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей изобретения является создание БТЭ, обладающей быстрой взводимостью, высокими удельными характеристиками и длительным ресурсом работы.The objective of the invention is the creation of a BFC with fast cocking, high specific characteristics and a long service life.

Указанный технический результат достигается тем, что батарея водородно-кислородных (воздушных) щелочных топливных элементов содержит, по крайней мере, два электрически последовательно соединенных ТЭ, каждый из которых содержит анод с водородсорбирующим сплавом, кислородный (воздушный) катод и дополнительный электрод, подключенный параллельно к катоду, при этом согласно изобретению в качестве дополнительного электрода взят окисноникелевый электрод, расположенный между анодом и катодом, все электроды снабжены внешними электрическими выводами, электрическое соединение ТЭ выполнено между выводом анода одного ТЭ и выводом дополнительного электрода другого ТЭ, а вывод катода в каждом из ТЭ подключен к выводу дополнительного электрода посредством устройства коммутации. Описанная выше конструкция БТЭ позволяет использовать ее как параллельно соединенные БТЭ и никель-металлогидридный аккумулятор. При пиковых потреблениях мощности основную токовую нагрузку обеспечивает аккумулятор, а по мере его разряда увеличивается нагрузка на БТЭ. При полном разряде аккумулятора питание нагрузки обеспечивается от БТЭ. Размещение в каждом ТЭ дополнительного окисноникелевого электрода между анодом и катодом и подключение катода через коммутирующее устройство к дополнительному электроду позволяет использовать ТЭ как параллельно включенные водородно-кислородный (воздушный) ТЭ и никель-металлогидридный аккумулятор. При этом ввиду высокой обратимости водородного электрода он является общим и для ТЭ и для аккумулятора. Наличие в БТЭ параллельно включенного к ней аккумулятора позволяет обеспечить ее быстрый запуск и повысить удельные электрические характеристики.The specified technical result is achieved in that the battery of hydrogen-oxygen (air) alkaline fuel cells contains at least two electrically in series connected TEs, each of which contains an anode with a hydrogen-absorbing alloy, an oxygen (air) cathode and an additional electrode connected in parallel to the cathode, while according to the invention, an oxide-nickel electrode located between the anode and the cathode is taken as an additional electrode, all electrodes are equipped with external electric conclusions, the electrical connection of the FC is made between the output of the anode of one FC and the output of the additional electrode of the other FC, and the output of the cathode in each of the FC is connected to the output of the additional electrode by means of a switching device. The BTE design described above allows it to be used as a parallel connected BTE and a nickel metal hydride battery. At peak power consumption, the main current load is provided by the battery, and as it is discharged, the load on the BFC increases. When the battery is completely discharged, the load is supplied by BTE. Placing an additional oxide-nickel electrode between the anode and cathode in each fuel cell and connecting the cathode through a switching device to the additional electrode allows the fuel cells to be used as parallel-connected hydrogen-oxygen (air) fuel cells and a nickel-metal hydride battery. Moreover, due to the high reversibility of the hydrogen electrode, it is common for both fuel cells and the battery. The presence of a battery in parallel with the battery connected to it allows to ensure its quick start and increase specific electrical characteristics.

Целесообразно, чтобы дополнительный электрод был отделен от анода матричным электролитом, а от катода жидким электролитом.It is advisable that the additional electrode is separated from the anode by a matrix electrolyte, and from the cathode by a liquid electrolyte.

Целесообразно, чтобы топливные элементы по жидкому электролиту были объединены в общий электролитный контур. Наличие в ТЭ батареи матричного и жидкого электролита, объединенного в общий электролитный контур, позволяет, для увеличения ресурса при хранении БТЭ, сливать электролит, оставляя при этом заправленный и готовый, при необходимости, к приему нагрузки аккумулятор. Это обеспечивает быструю взводимость заявленной БТЭ, поскольку во время запуска БТЭ нагрузку обеспечивает аккумулятор. Кроме того, наличие общего электролитного контура упрощает задачу удаления тепла и продуктов реакции из БТЭ.It is advisable that the fuel cells for liquid electrolyte were combined into a common electrolyte circuit. The presence of a matrix and liquid electrolyte battery in a fuel cell combined into a common electrolyte circuit allows to drain the electrolyte to increase the resource during storage of BFCs, while leaving the battery charged and ready, if necessary, to receive the load. This ensures quick charging of the declared BFC, since the battery provides the load during the launch of the BFC. In addition, the presence of a common electrolyte circuit simplifies the task of removing heat and reaction products from the BFC.

Целесообразно, чтобы устройство коммутации было выполнено в виде электромеханического реле. Наличие реле позволяет отключать катод во время заряда аккумулятора, что предотвращает его деградацию, а следовательно, повышает ресурс БТЭ.It is advisable that the switching device was made in the form of an electromechanical relay. The presence of a relay allows you to turn off the cathode during battery charge, which prevents its degradation, and therefore increases the life of the BFC.

Целесообразно, чтобы устройство коммутации было выполнено в виде интеллектуального ключа, развязывающего диода, управляемого диода, тиристора или полевого транзистора. Выполнение коммутирующего устройства из бесконтактных электронных устройств позволяет упростить конструктивную электрическую схему БТЭ, уменьшить ее габариты, а также паразитные потери мощности. Это связано с тем, что контактные коммутирующие устройства из-за больших габаритов необходимо компоновать в отдельный конструктивный блок и прокладывать к ним силовые шины от коммутируемых выводов БТЭ.It is advisable that the switching device was made in the form of an intelligent key, a decoupling diode, a controlled diode, thyristor or field effect transistor. The implementation of the switching device from non-contact electronic devices allows you to simplify the structural circuit of the BFC, to reduce its dimensions, as well as spurious power losses. This is due to the fact that contact switching devices, due to their large dimensions, must be assembled into a separate structural unit and the power bus lines from the BTE switched terminals must be laid to them.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".To verify the conformity of the claimed invention with the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed technical solution from the prototype. It is established that the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом и описанием конструкции заявленной БТЭThe invention is illustrated in the drawing and design description of the claimed BFC

На чертеже представлен один из возможных вариантов выполнения функциональной схемы БТЭ.The drawing shows one of the possible embodiments of the functional scheme of the BFC.

БТЭ включает ТЭ 1, каждый из которых содержит анод 2 с выводом 3, дополнительный электрод 4 с выводом 5, матричный электролит 6, жидкий электролит 7 и катод 8 с выводом 9. Катод 8 каждого ТЭ 1 через вывод 9 подключен к выводу 5 своего дополнительного электрода 4 посредством развязывающего диода 10. Все ТЭ 1 по жидкому электролиту 7 объедены в общий электролитный контур 11. К выводам БТЭ 3 и 5 подключена внешняя нагрузка 12.BFC includes TE 1, each of which contains anode 2 with terminal 3, additional electrode 4 with terminal 5, matrix electrolyte 6, liquid electrolyte 7 and cathode 8 with terminal 9. Cathode 8 of each TE 1 through terminal 9 is connected to terminal 5 of its additional the electrode 4 by means of a decoupling diode 10. All the fuel cells 1 by liquid electrolyte 7 are combined into a common electrolyte circuit 11. An external load 12 is connected to the terminals of the BFCs 3 and 5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Заявленная БТЭ работает следующим образом. В процессе запуска БТЭ, включающем заправку общего электролитного контура 11 и ТЭ 1 жидким электролитом, подачу водорода в водородную полость анода 2 (не показано), подачу кислорода (воздуха) в кислородную (воздушную) полость катода 8 (не показано) питание внешней нагрузки 12 и запуск БТЭ осуществляется от аккумулятора. После запуска БТЭ обеспечивает питание нагрузки параллельно с аккумулятором. По мере разряда аккумулятора доля нагрузки на ТЭ возрастает. При полном разряде аккумулятора питание внешней нагрузки осуществляется от БТЭ. Тепло и вода, образующиеся в процессе работы, удаляются из БТЭ посредством общего электролитного контура. При перерывах в работе или необходимости отключения и консервации БТЭ производят заряд аккумулятора путем подключения к выводам 3 и 5 внешнего источника электроэнергии (не показан). В процессе заряда на аноде 2 выделяется водород, который поглощается металлогидридным сплавом, на окисно-никелевом электроде протекает реакция заряда в соответствии с уравнением реакции: Ni(ОН)₂+ОН^-→NiOOH+H₂O+e. В процессе заряда катод защищен от деградации, поскольку на катод 8 напряжение не подается, т.к. он заперт разделительным диодом 10. При длительном хранении и консервации БТЭ жидкий электролит сливается, а аккумулятор остается заряженным и готовым к приему нагрузки, поскольку в нем используется матричный электролит. Таким образом, в заявленной БТЭ в каждом ТЭ в едином корпусе функционально совмещены электрически параллельно включенные ТЭ и металлогидридный аккумулятор, что позволяет обеспечить быструю взводимость БТЭ, повысить ее удельные электрические характеристики и ресурс работы. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленная БТЭ может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она соответствует критерию промышленная применимость.Declared BTE works as follows. In the process of starting the BFC, including filling the common electrolyte circuit 11 and TE 1 with liquid electrolyte, supplying hydrogen to the hydrogen cavity of the anode 2 (not shown), supplying oxygen (air) to the oxygen (air) cavity of the cathode 8 (not shown), powering the external load 12 and the BTE is launched from the battery. After starting, the BFC provides power to the load in parallel with the battery. As the battery discharges, the share of the load on the fuel cell increases. When the battery is completely discharged, the external load is supplied by the BFC. Heat and water generated during operation are removed from the BFC through a common electrolyte circuit. During breaks in operation or the need for shutting down and preserving BFCs, they charge the battery by connecting an external electric source (not shown) to terminals 3 and 5. During the charge process, hydrogen is released at anode 2, which is absorbed by the metal hydride alloy, and a charge reaction occurs on the nickel oxide electrode in accordance with the reaction equation: Ni (OH) ₂ + OH ^- → NiOOH + H ₂ O + e. During charging, the cathode is protected from degradation, since no voltage is supplied to cathode 8, because it is locked by a diode 10. During long-term storage and preservation of BFC, the liquid electrolyte drains, and the battery remains charged and ready to receive the load, since it uses a matrix electrolyte. Thus, in the claimed BFC in each fuel cell in a single housing electrically parallel connected fuel cells and a metal hydride battery are functionally combined, which allows for fast charging of the BFC, to increase its specific electrical characteristics and service life. Based on the foregoing, we can conclude that the claimed BFC can be implemented in practice with the achievement of the claimed technical result, i.e. It meets the criterion of industrial applicability.

Claims

1. A battery of hydrogen-oxygen (air) alkaline fuel cells, containing at least two electrically connected in series fuel cells, each of which contains an anode with a hydrogen-absorbing alloy, an oxygen (air) cathode and an additional electrode connected in parallel to the cathode, characterized in that an oxide-nickel electrode located between the anode and cathode is taken as an additional electrode, all the electrodes are equipped with external electrical leads, the electric one is in series The fuel cell connection is made between the terminal of the anode of one fuel cell and the terminal of the additional electrode of the other fuel cell, and the terminal of the cathode in each of the fuel cells is connected to the terminal of the additional electrode by means of a switching device.

2. The battery according to claim 1, characterized in that the additional electrode is separated from the anode by a matrix electrolyte, and from the cathode by a liquid electrolyte.

3. The battery according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cells for liquid electrolyte are combined into a common electrolyte circuit.

4. The battery according to claim 1, characterized in that the switching device is made in the form of an electromechanical relay.

5. The battery according to claim 1, characterized in that the switching device is made in the form of an intelligent key.

6. The battery according to claim 1, characterized in that the switching device is made in the form of a decoupling diode.

7. The battery according to claim 1, characterized in that the switching device is made in the form of a controlled diode.

8. The battery according to claim 1, characterized in that the switching device is made in the form of a thyristor.

9. The battery according to claim 1, characterized in that the switching device is made in the form of a field effect transistor.