RU2352030C1

RU2352030C1 - Fuel element (versions) and method of fuel element battery operation

Info

Publication number: RU2352030C1
Application number: RU2007128144/09A
Authority: RU
Inventors: Ричард Д. БРО (US); Ричард Д. БРО; Роберт Р. ФРЕДЛИ (US); Роберт Р. ФРЕДЛИ
Original assignee: ЮТиСи Пауэ Копэрейшн
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2009-04-10

Abstract

FIELD: physics; fuel systems.

SUBSTANCE: fuel element 12 has liquid electrolyte 20, cathode 28 and anode 26. The fuel element includes a zone of electrolyte condensation (58), 56 first catalytic layers stretched from edge 36 on the cathode to the exterior edge of 48 fuel element (in points 52 and 49). The anode has the anode catalytic layer 30 which edge coincides with interior edge of the 53 edge insulator. The zone of acid condensation is located about an exhaust outlet for reagents so the volatilised electrolyte can be condensed and again be absorbed by a fuel element before will leave it.

EFFECT: increase of electrochemical productivity of element and service life prolongation.

16 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данное изобретение относится к конструкциям топливных элементов электрических батарей, а более конкретно топливных элементов электрических батарей на жидких электролитах, имеющих зону конденсации электролита.This invention relates to designs of fuel cells of electric batteries, and more particularly to fuel cells of electric batteries on liquid electrolytes having an electrolyte condensation zone.

Уровень техникиState of the art

В топливных элементах, использующих жидкий электролит, неизбежно происходит испарение некоторого количества электролита и образование проходящих через соответствующий элемент потоков газообразных реагентов, среди которых следует выделить поток воздуха (окислителя), способного двигаться быстрее потока водорода (химического топлива батареи). Хотя испарение происходит достаточно медленно, в отдельные длительные периоды времени оно может существенно интенсифицироваться, что в конечном счете может привести к дефициту электролита в элементах батареи и к выходу батареи из строя. Таким образом, при длительном использовании батареи может возникнуть необходимость в восстановлении потерянного электролита и возвращении его в элементы батареи. Для восстановления электролита, испаряющегося в виде потоков газообразных реагентов, конструкции батарей могут снабжаться зонами конденсации электролита по типу тех, что описаны в патенте US 4345008, выданном 17 августа 1982 года на имя Бреолт (Breault). Патент US 4345008 описывает фосфорно-кислотный топливный элемент батареи, снабженный зоной конденсации электролита, которая таким образом оказывается зоной конденсации кислоты. Зона конденсации кислоты расположена у химически инертной части электрода около выходного отверстия для реагентов. Инертная область электрода не поддерживает электрохимической реакции в элементе батареи и таким образом имеет более низкую температуру, чем активная область электрода, обеспечивающая протекание электрохимической реакции. Зона конденсации оказывается достаточно холодной для обеспечения конденсации электролита из потоков газообразных реагентов, что делает возможным восстановление электролита до его выхода из элемента электрической батареи. При этом, однако, было замечено, что электрические батареи, имеющие зоны конденсации электролита, могут подвергаться повышенной коррозии и разрушению по уплотняемым краям элементов батарей (в области краевых изоляторов).In fuel cells using liquid electrolyte, a certain amount of electrolyte inevitably evaporates and gaseous reagent flows pass through the corresponding element, among which a stream of air (oxidizer) can be distinguished, which can move faster than the stream of hydrogen (chemical fuel of the battery). Although evaporation occurs rather slowly, it can intensify significantly over long periods of time, which ultimately can lead to electrolyte deficiency in the battery cells and to battery failure. Thus, with prolonged use of the battery, it may be necessary to recover the lost electrolyte and return it to the battery cells. To recover an electrolyte that evaporates in the form of gaseous reagent streams, battery designs can be equipped with electrolyte condensation zones, such as those described in US Pat. No. 4,345,008, issued August 17, 1982 to Breault. No. 4,345,008 describes a phosphoric acid fuel cell of a battery provided with an electrolyte condensation zone, which thus turns out to be an acid condensation zone. The acid condensation zone is located at the chemically inert part of the electrode near the reagent outlet. The inert region of the electrode does not support the electrochemical reaction in the battery cell and thus has a lower temperature than the active region of the electrode, which allows the electrochemical reaction to occur. The condensation zone turns out to be cold enough to allow condensation of the electrolyte from the gaseous reagent streams, which makes it possible to restore the electrolyte before it leaves the element of the electric battery. At the same time, however, it was noted that electric batteries having electrolyte condensation zones can undergo increased corrosion and destruction along the sealing edges of the battery cells (in the region of edge insulators).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Топливный элемент электрической батареи состоит из двух электродов - катода и анода, а также содержит электролит. Катод имеет слой активатора химической реакции (катализатор) и зону конденсации электролита. Зона конденсации сопряжена с выходным отверстием для реагентов и включает химически инертную область, располагающуюся от края катодного каталитического слоя до внешнего края топливного элемента электрической батареи. Анод имеет анодный каталитический слой, простирающийся через химически инертную область, край которого совпадает с внутренним краем краевого изолятора. Жидкий электролит может быть фосфорной кислотой, но в топливном элементе, имеющем высокотемпературную мембрану, электролит также может быть свободной кислотой.The fuel cell of an electric battery consists of two electrodes - a cathode and anode, and also contains an electrolyte. The cathode has a layer of a chemical reaction activator (catalyst) and an electrolyte condensation zone. The condensation zone is associated with the outlet for the reagents and includes a chemically inert region located from the edge of the cathode catalyst layer to the outer edge of the fuel cell of the electric battery. The anode has an anode catalytic layer extending through a chemically inert region, the edge of which coincides with the inner edge of the edge insulator. The liquid electrolyte may be phosphoric acid, but in a fuel cell having a high temperature membrane, the electrolyte may also be free acid.

Изобретение описывает способ монтажа батареи топливных элементов, содержащей по крайней мере один элемент с электролитом. Окислитель поступает по катодной пластине возбуждения, сопряженной с катодом. Катод имеет зону конденсации электролита, сопряженную с выходным отверстием для реагентов, которая включает химически инертную область от конца катодного каталитического слоя до внешнего края топливного элемента. Окисляемый агент (топливо) подается на анод. Анод имеет анодный каталитический слой, простирающийся через химически инертную область, край которого совпадает с внутренним краем краевого изолятора. Хладагент (охлаждающая среда) подается в батарею топливных элементов по крайней мере по одному охлаждающему каналу. Хладагент может проникать в батарею рядом с зоной конденсации, причем с зоной конденсации должно быть сопряжено большее число охлаждающих труб, чем с химически активной областью топливного элемента.The invention describes a method of mounting a fuel cell stack comprising at least one electrolyte cell. The oxidizing agent enters the cathode field plate coupled to the cathode. The cathode has an electrolyte condensation zone coupled to the reagent outlet, which includes a chemically inert region from the end of the cathode catalyst layer to the outer edge of the fuel cell. An oxidizable agent (fuel) is supplied to the anode. The anode has an anode catalytic layer extending through a chemically inert region, the edge of which coincides with the inner edge of the edge insulator. Refrigerant (cooling medium) is supplied to the fuel cell battery through at least one cooling channel. Refrigerant can penetrate the battery near the condensation zone, and more cooling pipes must be paired with the condensation zone than with the chemically active region of the fuel cell.

Топливный элемент включает электролит, катод и анод. Катод имеет зону конденсации электролита, включающую химически инертную область, сопряженную с выходным отверстием для реагентов, простирающуюся от конца каталитического катодного слоя до внешнего края энергетического элемента. Краевой изолятор может быть пластичным, содержащим материалы, препятствующие утечке кислорода с внешней поверхности торца топливного элемента. Материалы, используемые в пластичном герметике, могут включать окислы вольфрама, карбид кремния или их смеси. К изолятор может также быть твердым материалом. Материалы, используемые как твердый герметик, могут включать полимеры и полимерографитовые композиты.A fuel cell includes an electrolyte, a cathode, and an anode. The cathode has an electrolyte condensation zone, including a chemically inert region, conjugated to the outlet for reagents, extending from the end of the catalytic cathode layer to the outer edge of the energy element. The edge insulator may be plastic, containing materials that prevent the leakage of oxygen from the outer surface of the end face of the fuel cell. Materials used in plastic sealants may include tungsten oxides, silicon carbide, or mixtures thereof. An insulator may also be a solid material. Materials used as solid sealants may include polymers and polymer-graphite composites.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 показывает поперечное сечение батареи топливных элементов на фосфорной кислоте, имеющих зону конденсации кислоты, в соответствии с известными техническими решениями.Figure 1 shows a cross section of a battery of phosphoric acid fuel cells having an acid condensation zone, in accordance with known technical solutions.

Фиг.2 показывает поперечное сечение батареи топливных элементов на фосфорной кислоте, имеющих модернизированную зону конденсации кислоты.Figure 2 shows a cross section of a phosphoric acid fuel cell battery having an upgraded acid condensation zone.

Фиг.3 представляет график зависимости электрических потенциалов от расстояния для исполнения, показанного на фиг.1.Figure 3 is a graph of electric potentials versus distance for the execution shown in figure 1.

Фиг.4 представляет график зависимости электрических потенциалов от расстояния для исполнения, показанного на фиг.2.Figure 4 is a graph of electric potentials versus distance for the execution shown in figure 2.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Фиг.1 показывает поперечное сечение топливного элемента электрической батареи 10, состоящей из элементов 12, охлаждающего узла 14 и газонепроницаемых сепарационных пластин 16. Компоненты батареи имеют конструкцию, известную специалистам в данной области техники, а также скомпонованы таким образом, который хорошо известен специалистам в данной области техники. Фиксирующая прослойка 15 охлаждающего узла может содержать множество охлаждающих протоков, таких как трубы или каналы 18, через которые пропускается хладагент для отвода тепла, производимого в процессе электрохимической реакции, осуществляемой внутри топливных элементов электрической батареи. Каждый элемент 12 включает содержащий электролит матричный слой 20, имеющий анод или топливный электрод 26, расположенный с одной стороны, и катод или окисляющий электрод 28, расположенный с другой стороны. Электролит может быть фосфорной кислотой, а матричный слой 20 может состоять из карбида кремния с вяжущим материалом типа политетрафторэтилена (фторопласта).Figure 1 shows a cross-section of a fuel cell of an electric battery 10 consisting of cells 12, a cooling unit 14, and gas-tight separation plates 16. The battery components are constructed in a manner known to those skilled in the art, and are arranged in a manner that is well known to those skilled in the art areas of technology. The fixing interlayer 15 of the cooling unit may comprise a plurality of cooling ducts, such as pipes or channels 18, through which refrigerant is passed to remove heat generated during the electrochemical reaction carried out inside the fuel cells of an electric battery. Each element 12 includes an electrolyte-containing matrix layer 20 having an anode or fuel electrode 26 located on one side, and a cathode or oxidizing electrode 28 located on the other side. The electrolyte may be phosphoric acid, and the matrix layer 20 may consist of silicon carbide with an adhesive material such as polytetrafluoroethylene (PTFE).

Каждый из электродов - анод и катод - могут быть газодиффузионного типа, и в этом случае каждый из них должен включать фиброзную (волокнистую), газопроницаемую графитовую подложку любого типа, известного специалистам в данной области техники. Анодная подложка 26 имеет каталитический слой 30, обращенный к матричному слою электролита 20. Анодная пластина возбуждения 32 содержит множество параллельных топливных каналов 34 и может соединять входную магистраль подачи топлива (не показана) с одной стороны батареи с выходной топливной магистралью (не показана) с другой стороны батареи. Поток топлива может быть единым, но может и быть разделен на множество потоков.Each of the electrodes — the anode and cathode — can be of the gas diffusion type, in which case each of them must include a fibrous (fibrous), gas permeable graphite substrate of any type known to those skilled in the art. The anode substrate 26 has a catalytic layer 30 facing the matrix layer of electrolyte 20. The anode excitation plate 32 contains many parallel fuel channels 34 and can connect the input fuel supply line (not shown) from one side of the battery to the output fuel line (not shown) to the other sides of the battery. The fuel flow can be single, but can also be divided into many flows.

Катод 28 имеет конструкцию, аналогичную с анодом 26. Катод 28 имеет тонкий каталитический слой 36 на плоской поверхности подложки, обращенной к матрице электролита 20. Каталитические области анода и катода поддерживают электрохимическую реакцию в топливном элементе электрической батареи, благодаря чему их часто называют электрохимически активными областями. Катодная пластина возбуждения 40 имеет каналы 44 для подачи окислителя через топливный элемент в направлении, перпендикулярном потоку топлива. Оба каталитических слоя 30 и 36 оканчиваются недалеко от внешнего края топливного элемента 48.The cathode 28 has a structure similar to that of the anode 26. The cathode 28 has a thin catalytic layer 36 on the flat surface of the substrate facing the electrolyte matrix 20. The catalytic regions of the anode and cathode support an electrochemical reaction in the fuel cell of an electric battery, which is why they are often called electrochemically active regions . The cathode excitation plate 40 has channels 44 for supplying an oxidizing agent through the fuel cell in a direction perpendicular to the fuel flow. Both catalytic layers 30 and 36 end near the outer edge of the fuel cell 48.

Краевой изолятор 49 внедрен в анод 26. Краевой изолятор 52 включает также анодную пластину возбуждения 32. Краевые изоляторы должны быть одинаковой ширины и иметь внутренний край 53. Типичная ширина краевых изоляторов составляет 1,8-3,6 см (0,7-1,4 дюйма). Анодная пластина возбуждения может быть выполнена в виде пористого резервуара для электролита, что хорошо известно специалистам в данной области техники. Точно такой же или аналогичный изолятор может использоваться и в других местах топливного элемента, что известно специалистам в данной области техники и не требует дальнейших разъяснений. В качестве примера краевых изоляторов, которые могут быть использованы в данной конструкции, можно указать пластичные изоляторы, описанные в патенте US 4652502, выданном Бреолту 24 марта 1987 года, и примененные здесь без изменений. В патенте US 4652502 краевой изолятор формируется за счет внедрения частиц двуокиси углерода или кремния в пористую структуру края топливного элемента, что делается для уменьшения размера пор и повышения величины капиллярных сил в области расположения изолятора. Таким образом, когда фосфорная кислота заполняет поры краевого изолятора, капиллярные силы удерживают кислоту в изоляторе, обеспечивая его пластичность.The edge insulator 49 is embedded in the anode 26. The edge insulator 52 also includes an anode excitation plate 32. The edge insulators should be the same width and have an inner edge 53. A typical width of the edge insulators is 1.8-3.6 cm (0.7-1, 4 inches). The anode plate of the excitation can be made in the form of a porous reservoir for electrolyte, which is well known to specialists in this field of technology. Exactly the same or similar insulator can be used in other places of the fuel cell, which is known to specialists in this field of technology and does not require further explanation. As an example of edge insulators that can be used in this design, we can mention plastic insulators described in US Pat. No. 4,652,502, issued to Breolt on March 24, 1987, and used without modification. In US Pat. No. 4,652,502, an edge insulator is formed by incorporating particles of carbon dioxide or silicon into the porous structure of the edge of the fuel cell, which is done to reduce pore size and increase capillary forces in the insulator region. Thus, when phosphoric acid fills the pores of the edge insulator, capillary forces retain the acid in the insulator, ensuring its ductility.

Анодный каталитический слой 30 и катодный каталитический слой 36 имеют края 54 и 56 соответственно. Расстояние вдоль оси Х между краем катодного каталитического слоя 56 и внутренним краем гидроизолятора 53 может составлять от 5,1 до 12,7 см (от 2 до 5 дюймов). В этом пространстве электрохимическая реакция не происходит, так же как и в гидроизоляторе, из-за отсутствия катализатора, и, соответственно, температура этого пространства ниже, чем в электрохимически активной области топливного элемента. Это холодное пространство и представляет собой зону конденсации 58, которая простирается от края катодного каталитического слоя 56 до внешнего края топливного элемента рядом с выходным отверстием для окислителя 59, так что испаряемый электролит, превращающийся в поток газообразных реагентов, может конденсироваться и абсорбироваться (всасываться) обратно в топливный элемент.The anode catalyst layer 30 and the cathode catalyst layer 36 have edges 54 and 56, respectively. The distance along the X axis between the edge of the cathode catalyst layer 56 and the inner edge of the waterproofing 53 may be from 5.1 to 12.7 cm (2 to 5 inches). In this space, the electrochemical reaction does not occur, as well as in the waterproofing, due to the lack of catalyst, and, accordingly, the temperature of this space is lower than in the electrochemically active region of the fuel cell. This cold space represents a condensation zone 58, which extends from the edge of the cathode catalyst layer 56 to the outer edge of the fuel cell near the oxidizer outlet 59, so that the vaporized electrolyte, which turns into a stream of gaseous reactants, can condense and be absorbed (absorbed) back into the fuel cell.

Было обнаружено, что взаимодействие гидроизолятора с зоной конденсации кислоты способствует развитию карбоновой коррозии около внешнего края 48а катодной подложки. Считается, что карбоновая коррозия провоцируется повышенной разностью потенциалов между электронно-проводящей фазой и электролитом. Разность потенциалов повышается за счет понижения уровня кислорода у внешних краев 48b и 48 с, что приводит к дефициту протонов, образующихся у края анодного каталитического слоя 54. Образующийся (в плоскости анодного каталитического слоя) поток протонов от края каталитического слоя к внешнему краю гидроизолятора увеличивает разность потенциалов между электронно-проводящей фазой и электролитом и приводит к повышению скорости коррозии у внешнего края 48а катодной подложки.It was found that the interaction of the waterproofing with the acid condensation zone promotes the development of carbon corrosion near the outer edge 48a of the cathode substrate. It is believed that carbon corrosion is provoked by an increased potential difference between the electron-conducting phase and the electrolyte. The potential difference increases due to a decrease in the oxygen level at the outer edges of 48b and 48 s, which leads to a deficiency of protons formed at the edge of the anode catalytic layer 54. The resulting (in the plane of the anode catalytic layer) proton flux from the edge of the catalytic layer to the outer edge of the waterproofing increases the difference potentials between the electron-conducting phase and the electrolyte and leads to an increase in the corrosion rate at the outer edge 48a of the cathode substrate.

Понижение содержания кислорода у внешнего края анода может быть вызвано из-за использования материалов, поглощающих кислород, из-за использования фосфорной кислоты в качестве электролита и наличия в этой области низкого потенциала. Такие условия складываются у внешних краев 48b и 48с на аноде и пластине возбуждения из-за того, что края контактируют с кислородом (т.е. с воздухом), а гидроизолятор содержит частицы графита, способные понижать содержание кислорода, когда фосфорная кислота заполняет поры гидроизолятора.A decrease in the oxygen content at the outer edge of the anode can be caused due to the use of oxygen absorbing materials, due to the use of phosphoric acid as an electrolyte and the presence of a low potential in this region. Such conditions are formed at the outer edges 48b and 48c on the anode and the excitation plate due to the fact that the edges are in contact with oxygen (i.e., air), and the hydroinsulator contains graphite particles capable of lowering the oxygen content when phosphoric acid fills the pores of the waterproofing .

В качестве альтернативы графиту для формирования гидроизолятора возможно использование материалов, не приводящих к понижению содержания кислорода. Примерами таких материалов могут быть окиси вольфрама, карбид кремния или их смеси. Использование этих материалов будет препятствовать или вообще исключит удаление кислорода по сравнению с исполнением гидроизолятора на графите, что, в свою очередь, приведет к снижению карбоновой коррозии. Возможен также вариант, когда гидроизолятор заменяется на твердый, изготовленный из материалов типа полимеров или полимерографитовых композитов.As an alternative to graphite for the formation of a waterproofing material, it is possible to use materials that do not lead to a decrease in oxygen content. Examples of such materials include tungsten oxides, silicon carbide, or mixtures thereof. The use of these materials will prevent or even eliminate the removal of oxygen compared to the performance of a waterproofing on graphite, which, in turn, will lead to a decrease in carbon corrosion. It is also possible that the waterproofing agent is replaced by a solid one made of materials such as polymers or polymer-graphite composites.

При данной скорости реакции у внешних краев 48b и 48с гидроизолятора разность потенциалов определяется законом Ома, т.е. разность потенциалов между краями 48b и 48с и краем каталитического слоя 54 зависит от понижения содержания кислорода у этих краев и расстояния между краями 48b и 48с и краем каталитического слоя 54. Функциональная зависимость разности потенциалов от расстояния для исполнения батареи, представленного на фиг.1, графически показана на фиг.3. Фиг.3 показывает, как разность потенциалов растет с увеличением расстояния от края каталитического слоя 54, достигая максимума у внешних краев 48b и 48с гидроизолятора. Графики представлены для исполнения, в котором края обоих каталитических слоев находятся на расстоянии от 5.1 до 12.7 см (от 2 до 5 дюймов) от внутреннего края изолятора 53. Следует заметить, что на фиг.3 зона конденсации 58 находится с левой стороны графика, в то время как в исполнении, представленном на фиг.1, она находится справа.At a given reaction rate at the outer edges of the waterproofing 48b and 48c, the potential difference is determined by Ohm's law, i.e. the potential difference between the edges 48b and 48c and the edge of the catalytic layer 54 depends on the decrease in the oxygen content at these edges and the distance between the edges 48b and 48c and the edge of the catalytic layer 54. The functional dependence of the potential difference on the distance for the execution of the battery shown in figure 1, graphically shown in figure 3. Figure 3 shows how the potential difference increases with increasing distance from the edge of the catalytic layer 54, reaching a maximum at the outer edges 48b and 48c of the waterproofing. The graphs are presented for execution, in which the edges of both catalytic layers are located at a distance of 5.1 to 12.7 cm (2 to 5 inches) from the inner edge of the insulator 53. It should be noted that in Fig. 3 the condensation zone 58 is located on the left side of the graph, in while in the design shown in FIG. 1, it is on the right.

Фиг.2 показывает исполнение, аналогичное тому, что представлено на фиг.1, однако с иной конфигурацией анодного каталитического слоя 30. В этом исполнении анодный каталитический слой 30 распространяется в направлении оси Х через всю длину электрохимически инертной зоны конденсации 58 и катода, так что его край 54 в основном совпадает с внутренним краем 53 гидроизолятора. Термин "в основном совпадает" означает конструкцию, в которой край каталитического слоя 54 погружается в изолятор практически на половину его толщины. Длина электрохимически инертной зоны конденсации кислоты 58, измеренная вдоль оси Х от края катодного каталитического слоя 56 до внешнего края 48 топливного элемента, такая же, как и в исполнении на фиг.1. Однако по сравнению с фиг.1 расстояние между внешним краем 48 и анодным каталитическим слоем существенно уменьшено. Таким образом, по сравнению с исполнением, представленным на фиг.1, в данном исполнении существенно снижено сопротивление движению ионов. Как показано на фиг.2, данное расстояние может быть уменьшено до ширины краевых изоляторов 49 и 52. Зависимость разности потенциалов от расстояния для этого исполнения представлена на фиг.4. Заметим, что на фиг.4 зона конденсации кислоты 58 находится с левой стороны графика, в то время как в исполнении, представленном на фиг.2, она находится справа.FIG. 2 shows a design similar to that shown in FIG. 1, but with a different configuration of the anode catalyst layer 30. In this embodiment, the anode catalyst layer 30 extends in the X axis direction through the entire length of the electrochemically inert condensation zone 58 and the cathode, so that its edge 54 basically coincides with the inner edge 53 of the waterproofing. The term “substantially coincides” means a structure in which the edge of the catalytic layer 54 is immersed in the insulator at almost half its thickness. The length of the electrochemically inert acid condensation zone 58, measured along the X axis from the edge of the cathode catalyst layer 56 to the outer edge 48 of the fuel cell, is the same as that in FIG. 1. However, compared with FIG. 1, the distance between the outer edge 48 and the anode catalyst layer is substantially reduced. Thus, in comparison with the embodiment shown in FIG. 1, in this embodiment, the resistance to ion movement is significantly reduced. As shown in figure 2, this distance can be reduced to the width of the edge insulators 49 and 52. The dependence of the potential difference on the distance for this design is presented in figure 4. Note that in Fig. 4, the acid condensation zone 58 is located on the left side of the graph, while in the design shown in Fig. 2, it is on the right.

Фиг.3 показывает величину потенциала в металле и электролите как функцию расстояния для исполнения топливного элемента, известного в данной области техники и представленного на фиг.1. Край анодного каталитического слоя 54 на фиг.1 в типичном случае находится на расстоянии примерно 10 см (3.9 дюйма) от края топливного элемента. Фиг.4 показывает величину потенциала в металле и электролите в зависимости от расстояния для исполнения, представленного на фиг.2. Край анодного каталитического слоя 54 в исполнении на фиг.2 находится примерно в 1,8 см (0,7 дюйма) от края топливного элемента. В результате наклон кривой, иллюстрирующей зависимость потенциала в электролите от расстояния для исполнения по фиг.2, становится меньше и составляет примерно 0,18 от наклона кривой, характеризующей исполнение по фиг.1, т.е. для исполнения, известного в данной области техники. Это понижение разности потенциалов между металлом и электролитом приводит к существенному снижению скорости коррозии на катоде в точках 48а и 59 для исполнения, представленного на фиг.2, по сравнению с исполнением, представленным на фиг.1.Figure 3 shows the magnitude of the potential in metal and electrolyte as a function of distance for the execution of a fuel cell, known in the art and presented in figure 1. The edge of the anode catalyst layer 54 of FIG. 1 is typically located at a distance of about 10 cm (3.9 inches) from the edge of the fuel cell. Figure 4 shows the magnitude of the potential in the metal and the electrolyte depending on the distance for the performance shown in figure 2. The edge of the anode catalyst layer 54 in the embodiment of FIG. 2 is approximately 1.8 cm (0.7 inches) from the edge of the fuel cell. As a result, the slope of the curve illustrating the dependence of the potential in the electrolyte on the distance for the execution of FIG. 2 becomes smaller and is approximately 0.18 on the slope of the curve characterizing the performance of FIG. for execution known in the art. This decrease in the potential difference between the metal and the electrolyte leads to a significant decrease in the corrosion rate at the cathode at points 48a and 59 for the design shown in FIG. 2, compared with the design shown in FIG.

Существуют также новые технологии, использующие высокотемпературные полимерные электролитические мембраны. Заявка US 2004/0028976 А1 описывает модифицированную мембрану из полибензимидазола. Дополнительно в топливный элемент с высокотемпературными полимерными электролитическими мембранами могут быть добавлены фосфорная или полифосфорная кислоты или свободные кислоты для повышения электрохимической производительности элемента или продления срока их службы. Настоящее изобретение позволяет использовать конденсацию электролита в таких элементах точно так же, как и при использовании одной фосфорной кислоты.There are also new technologies using high temperature polymer electrolytic membranes. Application US 2004/0028976 A1 describes a modified polybenzimidazole membrane. Additionally, phosphoric or polyphosphoric acids or free acids can be added to the fuel cell with high temperature polymer electrolytic membranes to increase the electrochemical performance of the cell or extend their service life. The present invention allows the use of electrolyte condensation in such cells in the same way as when using phosphoric acid alone.

В процессе работы батареи 10 топливо, такое как газообразный водород, поступает на анод 26 по каналам 34 и вступает в контакт с каталитическим слоем 30 и фосфорной кислотой в матрице 20 через открытые поры в материале анода. Одновременно, но в перпендикулярном направлении, воздух в качестве окислителя поступает по каналам 44 из магистрали по одной стороне батареи 10 и попадает на катод 28, вступая в контакт с каталитическим слоем 36 и электролитом матрицы 20 через открытые поры материала катода 28. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, в результате электрохимической реакции в топливном элементе образуются электричество, тепло и вода.During operation of the battery 10, fuel, such as hydrogen gas, enters the anode 26 through channels 34 and comes into contact with the catalytic layer 30 and phosphoric acid in the matrix 20 through open pores in the anode material. At the same time, but in the perpendicular direction, air as an oxidizing agent enters through channels 44 from the line on one side of the battery 10 and enters the cathode 28, coming into contact with the catalytic layer 36 and the matrix electrolyte 20 through open pores of the cathode material 28. As is well known to specialists In the art, as a result of an electrochemical reaction, electricity, heat and water are generated in the fuel cell.

Хотя давление пара фосфорной кислоты в воздухе при рабочих температурах порядка 177-204°С (350-400°F) очень низкое, небольшое количество фосфорной кислоты попадает и в поток воздуха, и в поток водорода при их прохождении через топливный элемент. Когда поток воздуха проходит по каналам 44 для окислителя, расположенным вблизи от зоны конденсации 58, его температура начинает падать из-за отсутствия электрохимической реакции в зоне конденсации. Если необходимо или желательно, температура в этой области может быть еще более понижена за счет пропускания через охлаждающие протоки 18 большего объема охлаждающей жидкости на квадратный дюйм поверхностей в зоне конденсации 50, чем используется в окрестности активного участка топливного элемента. Это может быть достигнуто, например, за счет повышения концентрации охлаждающих каналов в области зоны конденсации по сравнению с концентрацией охлаждающих каналов в электрохимически активной области топливных элементов.Although the vapor pressure of phosphoric acid in the air at operating temperatures of the order of 177–204 ° C (350–400 ° F) is very low, a small amount of phosphoric acid enters both the air stream and the hydrogen stream when they pass through the fuel cell. When the air stream passes through the channels 44 for the oxidizing agent located near the condensation zone 58, its temperature begins to fall due to the absence of an electrochemical reaction in the condensation zone. If necessary or desirable, the temperature in this area can be further reduced by passing through the cooling ducts 18 a larger volume of coolant per square inch of surfaces in the condensation zone 50 than is used in the vicinity of the active portion of the fuel cell. This can be achieved, for example, by increasing the concentration of cooling channels in the region of the condensation zone as compared with the concentration of cooling channels in the electrochemically active region of the fuel cells.

Хотя настоящее изобретение показано и описано здесь применительно к наиболее предпочтительному варианту его исполнения, каждому специалисту в данной области техники понятно, что в конструкции изобретения возможны разнообразные изменения, а также и отказы от определенных форм и деталей изобретения, что тем не менее не является отклонением от духа и сути данного изобретения.Although the present invention has been shown and described here with reference to the most preferred embodiment, it is understood by every person skilled in the art that various changes are possible in the construction of the invention, as well as rejections of certain forms and details of the invention, which nonetheless does not deviate from the spirit and essence of this invention.

Claims

1. A fuel cell containing an electrolyte, a cathode and an anode, characterized in that it comprises a cooling device thermally connected to the aforementioned cathode and anode, an electrolyte condensation zone conjugated with the outlet openings of both reagents, including a chemically inert region extending from the edge of the cathode catalytic layer to the outer edge of the fuel cell, and an anode catalytic layer located passing through a chemically inert region, and a cathode catalytic layer located outside chemically in mercury region, while the edge of the anode catalyst layer is located at a distance of 1.8 to 3.6 cm from the outer edge of the fuel cell, and the edge of the cathode catalytic layer is located at a distance of 5.1 to 12.7 cm from the outer edge of the fuel cell, moreover, the zone of entry of the refrigerant into the fuel cell is adjacent to the electrolyte condensation zone.

2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrolyte is phosphoric acid.

3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the electrolyte is a free acid located inside a fuel cell equipped with a high temperature electrolytic membrane.

4. A method of operating a fuel cell battery having at least one fuel cell and containing an electrolyte, characterized in that the oxidant stream is passed through a cathode excitation plate coupled to a cathode having an electrolyte condensation zone coupled to at least one a reagent outlet and including a chemically inert region extending from the edge of the cathode catalyst layer to the outer edge of the fuel cell, a stream of fuel supplied through the anode plate is passed ozbuzhdeniya the anode having an acid condensation zone conjugate with the outlet for the fuel and the coolant stream is passed through at least one cooling channel of the fuel cell battery, and refrigerant is supplied to the fuel cell in a zone situated near the electrolyte condensation zone.

5. The method according to claim 4, characterized in that the electrolyte is phosphoric acid.

6. The method according to claim 4, characterized in that the electrolyte is a free acid located inside a fuel cell equipped with a high temperature electrolytic membrane.

7. The method according to claim 4, characterized in that the refrigerant is fed into the fuel cell battery near the electrolyte condensation zone.

8. The method according to claim 4, characterized in that in the zone associated with the acid condensation zone, a greater number of cooling channels are performed than in the chemically active region of the fuel cell.

9. A fuel cell containing an electrolyte, a cathode and an anode, characterized in that it contains a waterproofing material made of a material that prevents a decrease in the oxygen content on the outer surface of the fuel cell, the cathode having an electrolyte condensation zone including a chemically inert region conjugated by at least , with one outlet for reagents, extending from the edge of the cathode catalyst layer to the outer edge of the fuel cell.

10. The fuel cell according to claim 9, characterized in that the electrolyte is phosphoric acid.

11. The fuel cell according to claim 9, characterized in that the electrolyte is a free acid located inside a fuel cell equipped with a high temperature electrolytic membrane.

12. The fuel cell according to claim 9, characterized in that the waterproofing material is selected from the group of materials including tungsten oxides, silicon carbides and mixtures thereof.

13. A fuel cell comprising an electrolyte, a cathode and an anode, characterized in that it comprises an edge insulator of solid material, the cathode having an electrolyte condensation zone including a chemically inert region interfaced with at least one reagent outlet device, extending from the edges of the cathode catalyst layer to the outer edge of the fuel cell.

14. The fuel cell according to item 13, wherein the solid edge insulator is made of a material selected from the group of materials including polymers and polymer-graphite composites.

15. The fuel cell according to item 13, wherein the electrolyte is phosphoric acid.

16. The fuel cell according to item 13, wherein the electrolyte is a free acid located inside a fuel cell equipped with a high temperature electrolytic membrane.