ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И МОДУЛЬ МЕМБРАННОГО ЭЛЕКТРОДА
FUEL ELEMENT, TRANSPORT FACILITY WITH FUEL ELEMENTS AND MEMBRANE ELECTRODE MODULE

Область техники
Изобретение относится к топливному элементу, транспортному средству с топливными элементами и модулю мембранного электрода.
Уровень техники
Канал подачи топливного газа циркуляционного типа используется в качестве конструкции для подачи топливного газа в батарею топливных элементов. Причина, по которой канал подачи топливного газа имеет циркуляционный тип, состоит в том, чтобы выпускать газ азота, который накапливается в канале для подачи топливного газа и препятствует подаче топливного газа, за пределы батареи топливных элементов. Газ азота накапливается в канале для подачи топливного газа, поскольку газ азота поступает из канала для окислительного газа в канал подачи топливного газа через электролит. Между тем, также предложен неустановившийся режим работы, в котором канал подачи топливного газа имеет нециркуляционный тип, и буфер для сбора газа азота предусмотрен вне батареи топливных элементов через клапан, и топливный газ подается при многократном открытии клапана и подаче топливного газа с закрытым клапаном, что сопровождается повышением давления (см., например, публикацию заявки на патент Японии № 2005-243476).
Тем не менее, идея постоянной работы топливного элемента, когда канал подачи топливного газа имеет нециркуляционный тип, не рассматривалась.
Краткое описание изобретения
Изобретение обеспечивает технологию для постоянной работы топливного элемента, когда канал подачи топливного газа имеет нециркуляционный тип в батарее топливных элементов.
Топливный элемент согласно первому аспекту изобретения включает в себя: электролит; анод, который размещен на одной стороне электролита и имеет поверхность расхода топливного газа, на которой расходуется топливный газ; катод, который размещен на другой стороне электролита и имеет поверхность расхода окислительного газа, на которой расходуется окислительный газ; и канал для топливного газа, включающий в себя первый канал для распределения топливного газа в заданные области на поверхности подачи окислительного газа, второй канал для подачи распределенного топливного газа в области и секцию подачи топливного газа для подачи топливного газа из первого канала во второй канал. Топливный элемент выполнен с возможностью работы при расходовании большей части подаваемого топливного газа в областях на поверхности расхода топливного газа, и канал для топливного газа имеет секцию подавления утечки топливного газа для подавления утечки топливного газа между первым каналом и вторым каналом.
В канале для топливного газа первого аспекта изобретения подавляется утечка топливного газа между первым каналом для распределения топливного газа в заданные области на поверхности подачи окислительного газа и вторым каналом для подачи распределенного топливного газа в области, так что можно способствовать равномерному распространению газа водорода посредством подавления проникновения газа азота из второго канала в то время, как топливный газ диффундирует. Например, "первый канал" в данном документе может рассматриваться как пористый канал 14h на стороне водородного электрода в варианте осуществления; "второй канал" может рассматриваться как электродный слой 22 на стороне водородного электрода в варианте осуществления.
В вышеописанном топливном элементе, по меньшей мере, один из первого канала и второго канала сформирован посредством пористого элемента, а секция подавления утечки топливного газа сформирована как периферийная секция пористого элемента, которая имеет пористость ниже пористости внутренней секции пористого элемента.
В вышеописанном топливном элементе секция подавления утечки топливного газа может быть элементом, который сформирован в одном корпусе, который проходит, по меньшей мере, к части периферийной секции первого канала и, по меньшей мере, части периферийной секции второго канала. При этой конфигурации, можно увеличивать жесткость посредством сборки канала для топливного газа в одном модуле.
В вышеописанном топливном элементе секция подавления утечки топливного газа может быть прокладкой, которая расположена на, по меньшей мере, одной стороне секции подачи топливного газа и обеспечивает, по меньшей мере, один из первого канала и второго канала.
Топливный элемент согласно второму аспекту изобретения включает в себя: электролит; анод, который размещен на одной стороне электролита и имеет поверхность расхода топливного газа, на которой расходуется топливный газ; катод, который размещен на другой стороне электролита и имеет поверхность расхода окислительного газа, на которой расходуется окислительный газ; и канал для топливного газа, включающий в себя первый канал для распределения топливного газа в заданные области на поверхности подачи окислительного газа, второй канал для подачи распределенного топливного газа в области и секцию подачи топливного газа для подачи топливного газа из первого канала во второй канал. Топливный элемент выполнен с возможностью работы при расходовании большей части подаваемого топливного газа на поверхности расхода топливного газа, и секция подачи топливного газа сформирована как металлическая пластина, которая включает в себя секцию подавления утечки химически активного газа для подавления утечки газа, которая заставляет топливный газ и окислительный газ смешиваться.
Транспортное средство согласно третьему аспекту изобретения включает в себя топливный элемент согласно любому из вышеупомянутых аспектов и модуль приведения, который приводит в движение транспортное средство согласно электропитанию от топливного элемента.
Модуль мембранного электрода, используемый в топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно четвертому аспекту изобретения, включает в себя: мембрану электролита; анод, который размещен на одной стороне мембраны электролита и имеет поверхность расхода топливного газа, на которой расходуется топливный газ; катод, который размещен на другой стороне мембраны электролита и имеет поверхность расхода окислительного газа, на которой расходуется окислительный газ; и пластину подачи топливного газа, которая подает топливный газ в заданные области на поверхности расхода топливного газа при заданном коэффициенте открытия в направлении от позиции вне плоскости поверхности расхода топливного газа к поверхности расхода топливного газа; и слой газовой диффузии, который расположен между пластиной подачи топливного газа и анодом. Слой газовой диффузии имеет секцию подавления проникновения топливного газа для подавления проникновения топливного газа не через пластину подачи топливного газа.
Топливные элементы согласно первому и второму аспектам изобретения могут пониматься как реализующие рабочее состояние, в котором электричество непрерывно генерируется в состоянии, когда сбалансировано парциальное давление примесей, таких как азот на аноде (водородном электроде), и парциальное давление примесей, таких как азот на катоде (воздушном электроде). "Сбалансированное состояние" в данном документе означает, например, равновесное состояние и не обязательно означает состояние, в котором эти парциальные давления равны друг другу.
Топливные элементы согласно первому и второму аспектам изобретения дополнительно охватывают конфигурации, показанные, например, на фиг.38 и 39. Конфигурационный пример, показанный на фиг.38, имеет первый канал и второй канал. Первый канал расположен выше второго канала. Первый канал и второй канал сообщаются друг с другом через высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x, которые являются более устойчивыми к расходу газа либо чем первый канал, либо чем второй канал. Эти каналы вводят топливный газ извне области генерирования электричества (вне топливного элемента) через впускной канал (коллектор) для топливного газа. В частности, относительно подачи топливного газа во второй канал, топливный газ вводится из первого канала главным образом через высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x (например, только через высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x).
Хотя первый канал и второй канал могут быть сформированы посредством использования пористых элементов, как показано в варианте осуществления, описанном ниже, эти каналы могут быть сформированы, например, посредством вставки элементов S1 и S2 уплотнения (см. фиг.38) или посредством использования элемента H2 сотовой структуры (см. фиг.39).
Чтобы предоставлять высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x, может использоваться пластинчатый элемент, в котором множество диафрагм 2110x для введения (через отверстия), как показано на фиг.38 и 39, распределены, например, по всей плоскости. Высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x имеют, по меньшей мере, одну из следующих функций. Первая функция - это функция ограничения подачи топливного газа в области во втором канале, которые находятся близко к впускному отверстию для топливного газа. Вторая функция - это функция подавления плоскостной неровности газового давления, прилагаемого в направлении, перпендикулярном плоскости секции реакции в аноде (поверхности расхода топливного газа), вдоль которой идет второй канал. Третья функция - это функция изменения направления расхода топливного газа, который протекает вдоль плоскости, вдоль которой идет первый канал, на ортогональное направление (т.е. направление, которое пересекает плоскость).
Топливные элементы согласно изобретению также могут пониматься как системы топливных элементов, как описано ниже. В частности, система топливных элементов является такой, что большая часть подаваемого топливного газа расходуется в секции реакции в аноде, при этом система топливных элементов включает в себя: впускное отверстие для приема анодного газа в элемент генерирования электричества; первый канал для газа для введения анодного газа, который подается через впускной канал, в направлении, параллельном плоскости элемента; и высокопрочную секцию, которая проходит вдоль секции реакции в аноде и вводит анодный газ из первого канала для газа во второй канал для газа через множество соединяющих диафрагм, сформированных в высокопрочной секции, которые распределены по плоскости, параллельной элементу, тогда как высокопрочная секция является более устойчивой к потоку, чем первый канал для газа, и препятствует притоку анодного газа из первого канала для газа во второй канал для газа.
Топливные элементы согласно изобретению также могут пониматься как системы топливных элементов с конфигурацией, описанной ниже. В частности, система топливных элементов может иметь следующие конфигурации. В одной конфигурации высокопрочная секция имеет одну соединяющую диафрагму, соответствующую одной области в секции реакции в аноде, и другую соединяющую диафрагму, соответствующую другой области, и в анодном газе, который расходуется в одной области, пропорция газа, который прошел через одну соединяющую диафрагму высокопрочной секции, превышает пропорцию газа, который прошел через другую соединяющую диафрагму. В другой конфигурации высокопрочная секция имеет одну соединяющую диафрагму, соответствующую одной области в секции реакции в аноде, и другую соединяющую диафрагму, соответствующую другой области, и в анодном газе, который прошел через одну соединяющую диафрагму, пропорция газа, который расходуется в одной области в секции реакции в аноде, превышает пропорцию газа, который расходуется в другой области.
Между тем, канал катода может иметь конфигурацию, в которой, по меньшей мере, высокопрочная соединяющая диафрагма не предусмотрена. Канал катода может быть выполнен с возможностью иметь только первый канал для газа для ввода катодного газа, который подается через впускной канал катода, в направлении, параллельном плоскости элемента, т.е. второй канал не предусмотрен. Тем не менее, когда слой газовой диффузии рассматривается в качестве второго канала, канал катода может быть выполнен с возможностью иметь первый и второй каналы в комбинации. В любом случае, когда высокопрочные соединяющие диафрагмы исключаются только из стороны электрода катода, ожидается, что работа, требуемая для системы подачи катодного газа, уменьшается, и эффективность отработанной воды из электрода катода повышается, что предпочтительно, в частности, в случае системы топливных элементов, которая имеет меньшую эффективность отработанной воды из электрода анода, т.е. системы топливных элементов, в которой топливный газ не выпускается постоянно.
Следует отметить, что изобретение может быть реализовано в различных других формах, таких как топливный элемент, способ изготовления батареи топливных элементов, система топливных элементов и транспортное средство на топливных элементах.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и дополнительные признаки и преимущества изобретения должны стать очевидными из последующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены идентичные элементы. На чертежах:
Фиг.1 является схемой схематичной конфигурации транспортного средства 1000 на топливных элементах согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.3 показывает графики, показывающие рабочие состояния системы 210 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники, когда циркуляция в канале 225 для топливного газа прекращена;
Фиг.4 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210n топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.5 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.6 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы в батарее 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.7 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление Cn азота происходит в то время, как выпуск топливного газа прекращен в батарее 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.8 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей механизм накопления газа азота в канале для топливного газа, согласно настоящему изобретению;
Фиг.9 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота возникает в канале для топливного газа;
Фиг.10 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;
Фиг.11 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;
Фиг.12 является пояснительной схемой, показывающей компоновку пластины 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;
Фиг.13 является пояснительной схемой, показывающей способ, в котором топливный газ подается через пластину 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;
Фиг.14 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей пример процесса осуществления вывода о механизме стабилизации подачи газа водорода;
Фиг.15 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота рассеяно в канале для топливного газа;
Фиг.16 является пояснительной схемой, показывающей первую модификацию канала для топливного газа;
Фиг.17 является пояснительной схемой, показывающей вторую модификацию канала для топливного газа;
Фиг.18 является пояснительной схемой, показывающей вторую модификацию канала для топливного газа;
Фиг.19 является пояснительной схемой, показывающей другую конфигурацию второй модификации;
Фиг.20 является пояснительной схемой, показывающей третью модификацию канала для топливного газа;
Фиг.21 является пояснительной схемой, показывающей четвертую модификацию канала для топливного газа;
Фиг.22 является пояснительной схемой, показывающей формулы вычисления, связанные с рабочими характеристиками топливных элементов;
Фиг.23 является пояснительной схемой, показывающей формулу вычисления, связанную с рабочими характеристиками топливных элементов;
Фиг.24 является пояснительной схемой, показывающей формулу вычисления, связанную с рабочими характеристиками топливных элементов;
Фиг.25 является пояснительной схемой, показывающей разность между плотностью пористого канала 14h на стороне водородного электрода и плотностью слоя газовой диффузии водородного электрода 22, которые находятся на стороне впуска и стороне выпуска соответственно пластины 21n подачи топливного газа согласно варианту осуществления;
Фиг.26 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v2 второй модификации;
Фиг.27 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v3 третьей модификации;
Фиг.28 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v4 четвертой модификации;
Фиг.29 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v5 пятой модификации;
Фиг.30 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v6 шестой модификации;
Фиг.31 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации;
Фиг.32 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av2 на стороне воздушного электрода второй модификации;
Фиг.33 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы батареи топливных элементов, имеющей элемент 14avl пористого канала на стороне воздушного электрода первой модификации;
Фиг.34 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av3 на стороне воздушного электрода третьей модификации;
Фиг.35 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av4 на стороне воздушного электрода четвертой модификации;
Фиг.36 является пояснительной схемой, показывающей пластину 21v5 подачи топливного газа пятой модификации;
Фиг.37 является пояснительной схемой, показывающей пластину 21v6 подачи топливного газа шестой модификации;
Фиг.38 показывает первый пример другой конфигурации каналов в топливном элементе; и
Фиг.39 показывает второй пример другой конфигурации каналов в топливном элементе.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Вариант осуществления изобретения описывается ниже в следующем порядке. В частности, конфигурация транспортного средства, оборудованного топливным элементом согласно варианту осуществления изобретения, конфигурация систем топливных элементов согласно предшествующему уровню техники и варианту осуществления, конфигурация батареи топливных элементов согласно предшествующему уровню техники, конфигурация батареи топливных элементов согласно варианту осуществления, процесс изготовления батареи топливных элементов согласно варианту осуществления и модификациям описываются в этом порядке.
Фиг.1 является схемой схематичной конфигурации транспортного средства 1000 с топливными элементами согласно варианту осуществления изобретения. Транспортное средство 1000 на топливных элементах включает в себя систему 200 электропитания, секцию 300 нагрузки и контроллер 250. Система 200 электропитания подает электроэнергию как движущую энергию в транспортное средство 1000 с топливными элементами. Секция 300 нагрузки преобразует подаваемую электроэнергию в механическую мощность, расходуемую на движение для приведения в движение транспортного средства 1000 с топливными элементами. Контроллер 250 управляет системой 200 электропитания и секцией 300 нагрузки.
Система 200 электропитания включает в себя систему 210n топливных элементов, аккумуляторную батарею 226, которая также упоминается как конденсатор, и преобразователь 264 постоянного напряжения. Секция 300 нагрузки включает в себя возбуждающую схему 360, электродвигатель 310, зубчатую передачу 320 и колеса 340. Система 210n топливных элементов может быть компактной, легкой и высокомощной для того, чтобы устанавливать систему на транспортном средстве.
Контроллер 250 электрически соединен с системой 210n топливных элементов, преобразователем 264 постоянного напряжения и возбуждающей схемой 360 и выполняет различные операции управления, в том числе управления этими схемами. Контроллер 250 выполняет компьютерные программы, сохраненные в непоказанном запоминающем устройстве, включенном в контроллер 250, чтобы выполнять различные операции управления. Различные носители хранения данных, такие как ПЗУ и жесткий диск, могут использоваться в качестве запоминающего устройства.
Фиг.2 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники. Система 210 топливных элементов включает в себя батарею 100 топливных элементов, систему 230 подачи воздуха для подачи воздуха как окислительного газа в батарею 100 топливных элементов, систему 220 циркуляции газа водорода для циркуляции газа водорода как топливного газа через батарею 100 топливных элементов и систему 240 подачи газа водорода для подачи газа водорода в систему 220 циркуляции газа водорода. Контроллер 250 управляет системой 230 подачи воздуха, системой 240 подачи газа водорода и системой 220 циркуляции газа водорода.
Батарея 100 топливных элементов является топливным элементом с твердым полимерным электролитом, имеющим многоярусную структуру, в которой множество нижеописанных топливных элементов скомплектовано в батарею. Каждый топливный элемент имеет воздушный канал 235 и канал 225 для топливного газа.
Система 230 подачи воздуха является системой для подачи увлажненного воздуха в воздушный канал 235 в каждом топливном элементе. Система 230 подачи воздуха включает в себя нагнетатель 231 для приема внутрь наружного воздуха, увлажнитель 239 для увлажнения всасываемого воздуха, подводящий трубопровод 234 для увлажненного воздуха для подачи увлажненного воздуха в воздушный канал 235 и отводной трубопровод 236 для выпуска воздуха из воздушного канала 235.
Система 240 подачи газа водорода включает в себя резервуар 242 для водорода для хранения газа водорода и водородный клапан 241 для управления подачей газа водорода в систему 220 циркуляции газа водорода.
Система 220 циркуляции газа водорода включает в себя циркуляционный насос 228 для циркуляции газа водорода в системе 220 циркуляции газа водорода, подводящий трубопровод 224 газа водорода для подачи газа водорода, выпускаемого из циркуляционного насоса 228, в канал 225 для топливного газа, трубопровод для выхлопного газа 226 для подачи влажного газа водорода из канала 225 для топливного газа в разделитель 229 газа и жидкости, разделитель 229 газа и жидкости для разделения воды и газа водорода и подачи газа водорода в циркуляционный насос 228 и спускной клапан 229V.
Причина, по которой предоставляются такие каналы циркуляции 226, 229 и 228, заключается в том, что в предшествующем уровне техники газ азота, который поступает из воздушного канала 235 через нижеописанный слой электролита, накапливается в канале 225 для топливного газа, который делает неспособной батарею 100 топливных элементов генерировать электричество.
Фиг.3 показывает графики G1 и G2, иллюстрирующие рабочие состояния системы 210 топливных элементов согласно уровню техники, когда циркуляция через канал 225 для топливного газа прекращена. График G1 показывает соотношение между истекшим временем с момента, когда выпуск топливного газа прекращен, и напряжением элемента. График G2 показывает соотношение между истекшим временем с момента, когда выпуск топливного газа прекращен, и парциальными давлениями газов (в канале 225 для топливного газа).
Как можно видеть из графика G1, напряжение элемента постепенно понижается со временем. Снижение напряжения элемента вызывается снижением парциального давления водорода в канале 225 для топливного газа, как показано на графике G2. Это снижение парциального давления водорода вызывается повышением парциального давления газа азота, который поступает из воздушного канала 235, как описано выше. Чтобы подавлять такое снижение парциального давления водорода, в области техники, например, согласно публикации заявки на патент Японии № 2005-243476 (JP 2005-243476 А), систему выполняли таким образом, что газ водорода подавался при одновременном повышении полного давления специально так, чтобы парциальное давление водорода сохранялось, преодолевая повышение парциального давления азота. Тем не менее, предусмотрено ограничение на допустимое полное давление, и необходимо периодически выполнять выпуск.
Фиг.4 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210n топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения. В системе 210n топливных элементов каналы 226, 229 и 228 циркуляции исключены, и система 210n топливных элементов включает в себя трубопровод 227 выпуска газа для технического обслуживания и разгрузочный клапан 230V. Между тем, батарея 100 топливных элементов заменяется батареей 100n топливных элементов. Батарея 100n топливных элементов разработана так, что топливная батарея стабильно работает, даже когда выпуск топливного газа прекращен.
Перед описанием батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения поясняется типичная конфигурация батареи топливных элементов согласно уровню техники и механизм накопления азота, который прояснен со ссылкой на фиг.5-9.
Фиг.5 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники. Описание уровня техники и вариант осуществления, поясненный ниже, приводится для случая топливного элемента с твердым полимерным электролитом в качестве примера. В батарее 100 топливных элементов уровня техники модули 20 мембранных электродов, пористые каналы 14h на стороне водородного электрода, пористые каналы 14a на стороне воздушного электрода и разделители 40 поочередно размещаются, и на каждой стороне батареи расположены контактный зажим, изолятор и концевая пластина (не показаны), так что батарея прослаивается посредством этих элементов, посредством чего формируется батарея 100 топливных элементов.
Модуль 20 мембранного электрода является секцией, в которой происходят электрохимические реакции топливных элементов, и включает в себя электродный слой 22 на стороне водородного электрода, мембрану 23 электролита и электродный слой 24 на стороне воздушного электрода. Мембрана 23 электролита является протонно-проводящей ионообменной мембраной, которая изготовлена из твердого полимерного материала. Электродный слой 22 на стороне водородного электрода и электродный слой 24 на стороне воздушного электрода сформированы посредством размещения катализатора на токопроводящей опоре.
Пористый канал 14h на стороне водородного электрода и пористый канал 14a на стороне воздушного электрода образуют каналы химически активных газов (топливного газа, который содержит водород, и окислительного газа, который содержит кислород), используемых в электрохимических реакциях в модуле 20 мембранного электрода, и имеют функцию сбора тока. В общем, пористые каналы 14h и 14a могут быть сформированы из газопроницаемого токопроводящего материала, такого как бумага с графитовым покрытием, ткани с графитовым покрытием и углеродные нанотрубки.
Секция 50 уплотнителя предусмотрена вокруг модуля 20 мембранного электрода и двух пористых каналов 14h и 14a, чтобы обеспечивать герметизацию каналов химически активных газов, сформированных посредством пористых каналов 14h и 14a. Секция 50 уплотнителя включает в себя прокладку 52 и каркасное уплотнение 54.
Разделитель 40 выполнен с возможностью формирования стенки пористых каналов 14h и 14a, которые выступают в качестве каналов химически активных газов. Для разделителя 40 могут использоваться различные материалы, такие как плотный углеродный материал, изготовленный посредством прессования углерода, так чтобы делать углерод непроницаемым для газа, материал угольного электрода или нержавеющая сталь, если они являются токопроводящими материалами, непроницаемыми для химически активных газов. В этом варианте осуществления разделитель 40 сконструирован как трехслойный разделитель, в который интегрированы разделитель 41 на стороне катода, который входит в контакт с пористым каналом 14a на стороне воздушного электрода, разделитель 43 на стороне анода, который входит в контакт с пористым каналом 14h на стороне водородного электрода, и промежуточный разделитель 42, расположенный между разделителями 41 и 43.
Фиг.6 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы в батарее 100 топливных элементов согласно уровню техники вместе с фиг.5. Каналы в батарее 100 топливных элементов включают в себя канал 225 для топливного газа (фиг.2), воздушный канал 235 (фиг.2) и канал для охлаждающей жидкости. Канал для охлаждающей жидкости включает в себя коллектор 11wm подачи охлаждающей жидкости, канал 12w подачи охлаждающей жидкости и коллектор 13wm для выпуска охлаждающей жидкости и выполнен так, что охлаждающая жидкость протекает через эти секции в таком порядке.
Канал 225 для топливного газа (фиг.2) включает в себя два коллектора 11hmL и 11hmR подачи топливного газа, канал 12h подачи топливного газа, отверстие 13h подачи топливного газа, пористый канал 14h на стороне водородного электрода, отверстие 15h для выпуска топливного газа, канал 16h для выпуска топливного газа (фиг.5) и два коллектора 17hmL и 17hmR для выпуска топливного газа (фиг.5) и выполнен таким образом, что топливный газ протекает через эти секции в таком порядке.
Воздушный канал 235 (фиг.2) включает в себя коллектор 11am подачи воздуха, канал 12a подачи воздуха, отверстие 13a для подачи воздуха, пористый канал 14a на стороне воздушного электрода, отверстие 15a для выпуска воздуха, канал 16a для выпуска воздуха (фиг.5) и коллектор 17am для выпуска воздуха (фиг.5) и выполнен так, что воздух протекает через эти секции в таком порядке.
Фиг.7 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление Cn газа азота происходит в то время, как выпуск топливного газа прекращен в батарее 100 топливных элементов согласно уровню техники. Как можно видеть из фиг.7, накопление Cn газа азота возникает в нижерасположенной области пористого канала 14h на стороне водородного электрода.
Фиг.8 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей механизм накопления газа азота в канале для топливного газа, согласно настоящему изобретению. Фиг.9 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота происходит в канале для топливного газа. В канале для топливного газа согласно уровню техники, как можно видеть из фиг.9, топливный газ подается вдоль реакционной поверхности (поверхности расхода топливного газа) модуля 20 мембранного электрода, на которой расходуется топливный газ, и поэтому возникает такое явление, что парциальное давление водорода в топливном газе понижается по мере того, как топливный газ протекает ниже. Следует отметить, что этот логический вывод сделан в ходе создания настоящего изобретения и что настоящее изобретение не основано на предпосылке наличия такого механизма.
Если генерирование электричества начато при условиях, в которых парциальное давление газа водорода в топливном канале (пористом канале 14h на стороне водородного электрода) является однородным на момент начала генерирования электричества, подача топливного газа начинается, когда модуль 20 мембранного электрода начинает вовлекать и потреблять водород вследствие генерирования электричества. В то время когда топливный газ подается, газ водорода расходуется в областях (областях A-D) на реакционной поверхности модуля 20 мембранного электрода, и парциальное давление водорода в топливном газе, следовательно, понижается по мере того, как топливный газ протекает ниже, согласно потреблению.
В частности, в то время как топливный газ подается, когда топливный газ протекает из области A к области B, потребление газа водорода в области A модуля 20 мембранного электрода (этап S1100) вызывает снижение парциального давления газа водорода в топливном газе, подаваемом в область B (этап S1200). Это снижение парциального давления газа водорода также возникает в потоке из области B к области C и в потоке из области C к области D.
Таким образом, топливный газ, в котором парциальное давление водорода является очень низким по сравнению с парциальным давлением в области A, подается в область D, которая является расположенной ниже областью (этап S1300). Как можно видеть из ситуации, которая возникает через 20 минут, показанной на фиг.9, это чрезвычайное снижение парциального давления водорода приводит к снижению потребления газа водорода в области D (этап S1400) и, как следствие, приводит к уменьшению подачи топливного газа (скорости потока) (этап S1500). Это снижение подачи топливного газа синергетически и циркуляционно продолжается до тех пор, пока подача топливного газа к области D не прекращена (этап S1600).
Как результат, как можно видеть из ситуации, которая возникает через 40 минут, показанной на фиг.9, область D становится областью, в которой газ азота накапливается, и топливный газ больше не подается (этап S1700). Помимо этого такой синергетический порочный круг приводит к тому, что область, в которой газ азота накапливается, распространяется до вышерасположенных областей, области C, области B и т.д.
Фиг.10 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления. Батарея 100n топливных элементов отличается от уровня техники тем, что канал 225 для топливного газа (фиг.2) заменяется на новый созданный, а канал 225n для топливного газа, воздушный канал 235 и канал для охлаждающей жидкости являются идентичными каналам по предшествующему уровню техники.
Фиг.11 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления вместе с фиг.10. Канал 225n для топливного газа отличается от канала 225 для топливного газа согласно уровню техники тем, что канал 225n для топливного газа оснащен: пластиной 21n подачи топливного газа для подавления накопления газа азота в канале 225 для топливного газа, происходящего в то время, когда выпуск топливного газа прекращен; и прокладкой 14hg и прокладкой 52n, которые окружают электродный слой 22 на стороне водородного электрода. Определенное число пор 211n, диаметр которых составляет приблизительно 1 мм, сформировано в пластине 21n подачи топливного газа с шагами в 2 см, например, и помимо этого три воздушных канала 212n, которые сообщаются с коллектором 11am подачи воздуха, сформированы в пластине 21n подачи топливного газа.
Прокладка 14hg и прокладка 52n могут быть изготовлены из материала, который имеет жесткость, превышающую жесткость электродного слоя 22 на стороне водородного электрода, и имеет сопротивление к деформации, которая вызывается посредством сжимающей силы в направлении толщины. Прокладка 14hg, которая окружает электродный слой 22 на стороне водородного электрода, может быть сформирована посредством заполнения периферийной секции электродного слоя 22 на стороне водородного электрода материалом для прокладки.
Фиг.12 является пояснительной схемой, показывающей компоновку пластины 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления. Пластина 21n подачи топливного газа вложена между пористым каналом 14h на стороне водородного электрода и электродным слоем 22 на стороне водородного электрода модуля 20 мембранного электрода. В этом варианте осуществления пластина 21n подачи топливного газа сформирована как металлическая пластина, которая подавляет утечку между каналом для топливного газа и каналом для окислительного газа. Таким образом, этот вариант осуществления является преимущественным в том, что жесткость модулей 20n мембранных электродов повышается, тепловое сжатие подавляется и устойчивость к перепаду давления между топливным газом и окислительным газом становится значительной.
Пластина 21n подачи топливного газа может быть сформирована как часть модуля 20n мембранного электрода посредством прикрепления пластины 21n подачи топливного газа к модулю 20 мембранного электрода, как в случае этого варианта осуществления, или может быть сформирована как часть пористого канала 14h на стороне водородного электрода посредством прикрепления пластины 21n подачи топливного газа к пористому каналу 14h на стороне водородного электрода, или может быть сформирована как отдельный компонент. Нет необходимости обеспечивать канал для топливного газа в форме пористого элемента. Канал для топливного газа может быть сформирован посредством прокладки (не показана), которая расположена на, по меньшей мере, одной из стороны впуска и стороны выпуска пластины 21n подачи топливного газа.
Фиг.13 является пояснительной схемой, показывающей способ, в котором топливный газ подается через пластину 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления. Топливный газ, подаваемый через отверстие 13h подачи топливного газа (фиг.11), распределяется в поры 211n пластины 21n подачи топливного газа через пористый канал 14h на стороне водородного электрода. Топливный газ подается к водородному электроду 22 через поры 211n.
Поскольку пористый канал 14h на стороне водородного электрода, который предоставляет каналы для распределения топливного газа в поры 211n, отделен от водородного электрода 22 посредством пластины 21n подачи топливного газа таким образом, снижение парциального давления водорода, описанное выше (фиг.8 и 9), подавляется. Между тем, проводимые исследования и эксперименты выявили то, что газ азота, который проходит через модуль 20 мембранного электрода и появляется на стороне водородного электрода 22, также проходит через модуль 20 мембранного электрода из пористого канала 14h на стороне водородного электрода к пористому каналу 14a на стороне воздушного электрода, так что можно сохранять равновесное состояние. Следует отметить, что термин "разделять" в данном документе имеет широкий смысл, который включает в себя не только полное разделение, но также разделение таким образом, что поток жидкости или контакт предотвращается.
Таким образом, посредством проводимых экспериментов было подтверждено то, что, когда можно стабильно сохранять состояние, в котором газ азота распределен около, например, модуля 20 мембранного электрода, можно непрерывно подавать топливный газ на сторону водородного электрода 22 и непрерывно и стабильно генерировать электричество без выпуска и циркуляции топливного газа.
Фиг.14 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей пример процесса осуществления вывода о механизме стабилизации подачи газа водорода. Фиг.15 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота рассеяно в канале для топливного газа. Этот логический вывод показывает механизм, посредством которого исключается увеличение парциального давления азота, даже когда парциальное давление азота частично повышается за счет некоторого возмущения. В частности, даже когда парциальное давление газа азота повышается в области, увеличение парциального давления газа азота исключается вследствие механизма, описанного ниже.
В частности, как показано на фиг.14, например, когда предполагается, что парциальное давление газа азота повышается в области (этап S2100), парциальное давление газа водорода в области относительно понижается, и объем газа водорода, поглощаемый посредством модуля 20 мембранного электрода в области, уменьшается (этап S2200). Это приводит к уменьшению скорости v1 потока топливного газа и потере давления (=Pu-p1) через поры 211n (этап S2300).
Такое уменьшение потери давления (=Pu-p1), в свою очередь, приводит к повышению давления, при котором топливный газ подается в водородный электрод 22 через поры 211n (этап S2400). В частности, давление p1, при котором топливный газ подается через поры 211n, достигает давления Pu на стороне впуска относительно пор 211n. Это приводит к временному повышению полного давления в этой области (этап S2500), что, в свою очередь приводит к диффузии газа азота (этап S2600). Это явление может пониматься как всасывание вследствие эффекта Бернулли из области, в которой скорость потока равна v1, что является относительно низким значением, к области, в которой скорость потока равна v0, что является относительно высоким значением.
Хотя такой анализ в настоящее время основан на логических выводах, посредством проводимых экспериментов было подтверждено, что вышеупомянутая конфигурация позволяет стабильно и постоянно формировать электричество в течение нескольких часов без циркуляции в канале для топливного газа вследствие некоторых физических процессов.
Исследования и эксперименты также показали, что диаметр и шаг пор 211n пластины 21n подачи топливного газа могут задаваться так, что при заданных рабочих режимах (например, номинальных рабочих режимах) возникала скорость потока или потеря давления через поры 211n, которая является высокой или достаточно большой так, что скорость потока топливного газа, который проходит через поры 211n, в достаточной степени подавляет противоток топливного газа вследствие диффузии газа азота. Например, подтверждено, что в топливном элементе с твердым полимерным электролитом предпочтительная скорость потока или потеря давления возникает, когда коэффициент открытия пластины 21n подачи топливного газа задается равным приблизительно 1% или ниже. Коэффициент раскрытия - это значение, получаемое посредством деления суммы площадей поперечного сечения отверстий всех пор 211n на площадь пластины 21n подачи топливного газа. Проводимыми вычислениями было подтверждено, что в этом варианте осуществления коэффициент раскрытия имеет порядок одной сотой от значения канала для топливного газа циркуляционного типа, и потеря мощности циркуляционного насоса (компрессора) 228 (фиг.2) для циркуляции становится чрезмерным, нереальным значением.
Фиг.16 является пояснительной схемой, показывающей первую модификацию канала для топливного газа. В первой модификации плотный пористый элемент 21vl, который является более "плотным", чем пористый канал 14h на стороне водородного электрода, или демонстрирует большую "потерю давления", чем потеря давления пористого канала 14h на стороне водородного электрода, выступает в качестве пластины 21n подачи топливного газа. В частности, плотный пористый элемент 21vl изготовлен так, что плотный пористый элемент 21vl отделяет пористый канал 14h на стороне водородного электрода, который предоставляет канал, чтобы распределять топливный газ, от водородного электрода 22 и реализует потерю давления или внутреннюю скорость потока топливного газа, которая определена заранее.
Фиг.17 и 18 являются пояснительными схемами, показывающими вторую модификацию канала для топливного газа. Во второй модификации пластина 21v2 подачи топливного газа изготовлена из прессованной металлической пластины. Пластина 21v2 подачи топливного газа имеет: выступы 21v2t для формирования канала выше пластины 21v2 подачи топливного газа; и поры 211v2, которые сформированы в выступах 21v2t. Эта конфигурация является преимущественной в том, что пористый канал 14h на стороне водородного электрода согласно этому варианту осуществления может быть пропущен, поскольку канал выше пластины 21v2 подачи топливного газа также сформирован посредством неразъемных выступов 21v2t.
Фиг.19 является пояснительной схемой, показывающей другую конфигурацию второй модификации. Этот пример выполнен так, что канал на стороне впуска сформирован посредством секций 21v2c фиксированных размеров, имеющих электрическую проводимость. Эта конфигурация является преимущественной в том, что степень свободы формы пластины 21v2a подачи топливного газа является высокой, поскольку выступы 21v2ta пластины 21v2a подачи топливного газа не должны нести нагрузку, применяемую вследствие многоярусной структуры батареи 100n топливных элементов. Например, выступы 21v2ta могут быть выполнены так, что выступы 21v2ta имеют ромбическую форму при виде сверху пластины 21v2a подачи топливного газа.
Фиг.20 является пояснительной схемой, показывающей третью модификацию канала для топливного газа. Канал 14hv3 третьей модификации является примером, в котором реализована конфигурация, которая распределяет топливный газ в несколько областей через соединительные отверстия 210v3, которые сформированы в пористом элементе и порах 211v3, каждое из которых проходит наружу от соответствующего соединительного отверстия 210v3. Таким образом, канал для топливного газа может быть выполнен так, что пористый элемент имеет функцию распределения топливного газа.
Фиг.21 является пояснительной схемой, показывающей четвертую модификацию канала для топливного газа. Конфигурация, в которой топливный газ распределен в несколько областей через поры 211v4, реализована посредством каналов 14hv4 четвертой модификации, использующих трубы 210v4, в которых сформированы поры 211v4, вместо использования пористого элемента или прессованного металлического материала. Как описано выше, канал для топливного газа не ограничен каналом, использующим пористый элемент или прессованную металлическую пластину, и достаточно того, что канал для топливного газа выполнен так, что топливный газ распределяется в несколько областей.
Таким образом, канал для топливного газа, который использует пластину 21n подачи топливного газа, и его модификации могут иметь канал для подачи топливного газа, непосредственно, например, в отдельные области в водородном электроде 22 без прохождения через другие области в водородном электроде 22, в котором расходуется топливный газ. Альтернативно, топливный газ может подаваться в направлении от позиции вне плоскости, которая предпочтительно является каналом, отделенным от водородного электрода 22, к водородному электроду 22, т.е. в направлении, которое пересекает реакционную поверхность (катализаторную поверхность, не показана) 23 электролита. Термин "расходует" в данном документе имеет широкое значение, которое включает в себя потребление как вследствие реакции, так и вследствие перекрестных неплотных соединений. Между тем, водородный электрод 22 может иметь плоскую поверхность, с тем чтобы накопление азота в пазу не возникало.
Хотя в вышеописанном варианте осуществления и модификациях необязательно устанавливать заданную скорость потока и потерю давления, экспериментами и исследованиями было подтверждено то, что существенные результаты достигаются посредством установления заданной скорости потока и потери давления.
Такая конфигурация, в которой исключена циркуляция топливного газа, приводит к эффекту реализации эффективной работы при высоком давлении системы топливных элементов, что не может предполагаться специалистами в данной области техники на момент подачи данной заявки. Например, как показано на фиг.22, известно, что относительно электродвижущей силы топливного элемента большая мощность достигается, когда давление в канале для топливного газа в системе топливных элементов повышается согласно уравнению Нераста. Тем не менее, в системе подачи топливного газа циркуляционного типа, повышение давления в канале для топливного газа увеличивает нагрузку насоса для циркуляции топливного газа, что вызывает такую проблему, что повышение кпд системы ограничено.
На фиг.22 уравнение F1 показывает, что электродвижущая сила E имеет положительную корреляцию с активностью газа водорода (парциальным давлением водорода/обычным давлением) и активностью газа кислорода (парциальным давлением кислорода/обычным давлением). Уравнение F2 - это часть члена газа водорода, указывающая, что электродвижущая сила увеличивается вследствие повышения парциального давления водорода (P1->P2).
Этот вариант осуществления имеет значительное преимущество в том, что можно повышать давление в системе топливных элементов при одновременном недопущении увеличения нагрузки циркуляционного насоса посредством реализации топливного элемента нециркуляционного типа и, следовательно, можно уменьшать размер и вес и повышать мощность системы, что является важным, в частности, в свете установки системы в транспортном средстве. В частности, общеизвестным техническим фактом для специалистов в данной области техники является то, что повышение давления в небольшой системе топливных элементов приводит к уменьшению кпд системы топливных элементов, и вышеописанное преимущество, следовательно, не может предполагаться специалистами в данной области техники на момент подачи данной заявки.
В компактном и легком топливном элементе с твердым полимерным электролитом используется полимерный электролит. Таким образом, такой топливный элемент с твердым полимерным электролитом является, в частности, подходящим для использования в качестве встроенного элемента, поскольку работа с перепадом давления, в которой повышается только давление в канале для топливного газа, легко осуществляется, и мощность значительно возрастает посредством повышения давления согласно эмпирическому уравнению F3 (фиг.23), полученному в 2000 году компанией Parsons Inc. (James Larminie и Andrew Dicks, Fuel Cell Systems Explained, 2nd ed. (2003)). Эмпирическое уравнение F3 - это уравнение, соответствующее уравнению F2, которое является теоретическим уравнением, тесно связанным с высокотемпературными топливными элементами.
Помимо этого этот вариант осуществления также может быть выполнен так, что пористый канал 14h на стороне водородного электрода отделен от водородного электрода 22 посредством подавления диффузионного потока газа азота от водородного электрода 22 к пористому каналу 14h на стороне водородного электрода. Такое разделение становится трудным по мере того, как скорость диффузии газа азота увеличивается. Тем не менее, в топливных элементах с твердым полимерным электролитом, которые работают при низких температурах, относительно легко реализовывать такое разделение. Это обусловлено тем, что скорость диффузии становится очень высокой по мере того, как рабочая температура возрастает. С другой стороны, повышение давления топливного газа приводит к уменьшению скорости диффузии, и, как следствие, работа при высоком давлении топливного элемента с твердым полимерным электролитом дает очень предпочтительный вариант осуществления.
Фиг.24 показывает уравнение F4, которое представляет первый закон Фика относительно установившегося потока. В уравнении F4 скорость диффузии газа азота пропорциональна градиенту концентрации и коэффициенту диффузии газа азота. Известно, что коэффициент диффузии имеет положительную корреляцию с температурой и имеет отрицательную корреляцию с давлением. Таким образом, можно подразумевать, что достигается вышеупомянутое преимущество.
Фиг.25 является пояснительной схемой, показывающей разность между плотностью пористого канала 14h на стороне водородного электрода и плотностью слоя газовой диффузии в водородном электроде 22, которые находятся на стороне впуска и стороне выпуска соответственно пластины 21n подачи топливного газа согласно этому варианту осуществления. Этот вариант осуществления выполнен так, что материал для пористого канала 14h на стороне водородного электрода на стороне впуска имеет плотность ниже плотности материала для слоя газовой диффузии в водородном электроде 22 на стороне выпуска; другими словами, материал для пористого канала 14h на стороне водородного электрода вызывает потерю давления меньше, чем потеря, вызываемая посредством материала для слоя газовой диффузии в водородном электроде 22 на стороне выпуска. Такая конфигурация приводит к эффекту уменьшения падения давления, которое возникает, когда топливный газ протекает через пористый канал 14h на стороне водородного электрода. Таким образом, эта конфигурация является преимущественной в том, что давление топливного газа, которое прикладывается к множеству пор 211n, легко становится однородным.
С другой стороны, первая модификация, показанная на фиг.25, выполнена так, что плотность или потеря давления, вызываемая посредством материала для слоя газовой диффузии в водородном электроде 22 на стороне выпуска, ниже или меньше плотности материала для пористого канала 14h на стороне водородного электрода на стороне впуска. Такая конфигурация является преимущественной в том, что можно препятствовать поступлению газа азота из слоя газовой диффузии водородного электрода 22vl в пористый канал 14hvl на стороне водородного электрода на стороне впуска. Это обусловлено тем, что пористый канал 14hvl на стороне водородного электрода имеет высокую плотность или вызывает большую потерю давления, и, следовательно, есть сильная тенденция для направления, в котором диффундирует газ азота, быть направлением в плоскости в водородном электроде 22vl, а не направлением к пористому каналу 14hvl на стороне водородного электрода. Однородность давления топливного газа, применяемого к множеству пор 211n, может быть реализована посредством варьирования, например, диаметров и шагов множества пор 211n.
Фиг.26 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v2 второй модификации. Во второй модификации слой газовой диффузии водородного электрода 22v2 имеет двухслойную структуру. Слой газовой диффузии выполнен так, что в слое газовой диффузии из двух частей плотность или потеря давления, вызываемая посредством материала для одного слоя, который находится рядом с мембраной 23 электролита, ниже плотности материала для другого слоя. Такая конфигурация является преимущественной в том, что получаемая вода, выпускаемая из мембраны 23 электролита, принудительно диффундирует к пористому каналу 14h на стороне водородного электрода, и достигается эффект подавления блокировки подачи газа вследствие заводнения.
Данный выпуск получаемой воды использует такое физическое свойство, что чем выше плотность пористого элемента или чем больше потеря давления, вызываемая посредством пористого элемента, тем большей является сила водопоглощения вследствие капиллярной силы. Таким образом, достаточно того, что слой газовой диффузии выполнен таким образом, что капиллярная сила увеличивается с расстоянием от мембраны 23 электролита. Соответственно, слой газовой диффузии может быть однослойным пористым элементом, в котором плотность и т.п. имеет градиент, или пористым элементом, состоящим из трех или более слоев.
Фиг.27 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v3 третьей модификации. В третьей модификации слой газовой диффузии водородного электрода 22v3 имеет трехслойную структуру. Слой газовой диффузии выполнен так, чтобы в слое газовой диффузии из трех частей чем ближе к мембране 23 электролита находится слой, тем выше гидрофобность материала для слоя или ниже гидрофильность материала для слоя. Такая конфигурация является преимущественной в том, что получаемая вода, выпускаемая из мембраны 23 электролита, принудительно диффундирует, и достигается эффект подавления заводнения.
Плотность и т.п., используемая во второй модификации, заменяется гидрофильностью или гидрофобностью в такой конфигурации для принудительного диффундирования и выпуска получаемой воды. Таким образом, достаточно того, что слой газовой диффузии выполнен таким образом, что гидрофильность становится более высокой (или гидрофобность становится более низкой) с расстоянием от мембраны 23 электролита. Соответственно, слой газовой диффузии может быть однослойным пористым элементом, в котором гидрофильность и т.п. имеет градиент, или пористым элементом, состоящим из трех или более слоев. Следует отметить, что гидрофильность и гидрофобность могут задаваться в комбинации, и помимо этого плотность и т.п. дополнительно может варьироваться.
Фиг.28 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v4 четвертой модификации. Слой газовой диффузии четвертой модификации имеет конфигурацию, которая отличается от вышеописанных конфигураций, в которых соединительные отверстия 212v4 сформированы в таких позициях, чтобы соединяться с порами 211n пластины 21n подачи топливного газа. Соединительные отверстия 212v4 имеют функцию фрагментирования и диффузии получаемой воды, накапливаемой на поверхности слоя катализатора (не показан) водородного электрода 22v4. В частности, в четвертой модификации, соединительные отверстия 212v4 имеют диаметр, меньший диаметра пор 211n, и выполнены так, что получаемая вода wd, выпускаемая через соединительные отверстия 212v4, поглощается посредством водородного электрода 22v4 таким образом, что достигается эффект подавления закупоривания пор 211n с получаемой водой.
Фиг.29 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v5 пятой модификации. Слой газовой диффузии пятой модификации является идентичным слою четвертого варианта осуществления, в котором соединительные отверстия 212v5 сформированы в таких позициях, чтобы соединяться с порами 211n пластины 21n подачи топливного газа, и имеют функцию фрагментирования и диффузии получаемой воды, накапливаемой на поверхности слоя катализатора водородного электрода 22v5. Тем не менее, пятая модификация отличается от четвертой модификации тем, что соединительные отверстия 212v5 имеют диаметр, превышающий диаметр пор 211n. Соединительные отверстия 212v5 выполнены так, что получаемая вода wd, выпускаемая через соединительные отверстия 212v5, блокируется посредством пластины 21n подачи топливного газа и поглощается посредством водородного электрода 22v5. Таким образом, как в случае четвертой модификации, достигается эффект подавления закупоривания пор 211n получаемой водой.
Следует отметить, что соединительные отверстия 212v4 и 212v5 могут фрагментировать получаемую воду, когда эти отверстия соединяются с порами 211n, и необязательно, чтобы диаметры соединительных отверстий 212v4 и 212v5 отличались от диаметров пор 211n.
Фиг.30 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v6 шестой модификации. Шестая модификация является идентичной пятой модификации в том, что соединительные отверстия 212v5 сформированы в таких позициях, чтобы соединяться с порами 211n пластины 21n подачи топливного газа, и что соединительные отверстия 212v5 имеют диаметр, превышающий диаметр пор 211n. Тем не менее, пластина 21v6 подачи топливного газа шестой модификации отличается от пластины пятой модификации тем, что пластина 21v6 подачи топливного газа имеет элемент Cg позиционирования, который определяет позиционную зависимость между порами 211n и водородным электродом 22v6. Элемент Cg позиционирования определяет позиционную зависимость между порами 211n пластины 21v6 подачи топливного газа и соединительными отверстиями 212v5, тем самым приводя к тому преимуществу, что вышеописанные результаты легко достигаются.
Такой эффект подавления заводнения, достигаемый посредством такого средства, в частности, является важным в системе, в которой топливный газ постоянно не выпускается в ходе генерирования электричества. Это обусловлено тем, что в системах, в которых топливный газ не выпускается постоянно в ходе генерирования электричества, трудно использовать выпуск водяного пара, сопровождающего выпуск топливного газа. Вышеописанная конфигурация имеет важную функцию реализации устойчивой работы системы топливных элементов, в которой получаемая вода надлежащим образом диффундирует без необходимости выпускать водяной пар посредством выпуска топливного газа и в которой цикл использования получаемой воды для увлажнения топливного газа плавно продлевается, чтобы исключать необходимость циркулировать топливный газ.
Фиг.31-35 являются пояснительными схемами, показывающими модификации пористого канала 14a на стороне воздушного электрода. Эти модификации выполнены с возможностью предоставлять техническое средство, чтобы разрешать проблемы, связанные со стороной воздушного канала, которые вызываются при создании системы подачи топливного газа нециркуляционного типа. Это проблема является новой, и первой ее обнаружили авторы настоящего изобретения.
В частности, было обнаружено, что конфигурация, в которой топливный газ не циркулирует, касается не только канала для топливного газа, но также затрагивает конструкцию воздушного канала. Например, как можно видеть из предшествующего уровня техники, показанного на фиг.5, в уровне техники поток топливного газа и поток воздуха направлены во встречных направлениях, посредством чего можно делать однородной влажность модуля 20 мембранного электрода. Более конкретно, в случае канала химически активного газа предшествующего уровня техники, поскольку химически активный газ увлажняется посредством воды, выпускаемой через электродный слой 22 на стороне водородного электрода и электродный слой 24 на стороне воздушного электрода, и влажность химически активного газа, как следствие, возрастает от впускного отверстия к выпускному отверстию канала, можно делать влажность модуля 20 мембранного электрода однородной посредством приспособления противоточной конфигурации, в которой выпускное отверстие одного канала на стороне электрода находится около впускного отверстия другого канала на стороне электрода.
Тем не менее, в вышеописанном варианте осуществления и модификациях топливный газ подается в модуль 20 мембранного электрода в состоянии, при котором парциальное давление водорода является более однородным, чем парциальное давление в случае, когда циркулирует топливный газ, и вышеописанный эффект, достигаемый посредством противоточной конфигурации, не вызывается. Авторы настоящего изобретения создали новую следующую структуру в качестве средства для разрешения этой новой проблемы.
Фиг.31 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации. Фиг.32 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av2 на стороне воздушного электрода второй модификации. Фиг.33 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы батареи топливных элементов, имеющей пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации. Пористый канал 14av2 на стороне воздушного электрода второй модификации выполнен так, что эффект, аналогичный достигаемому посредством пористого канала 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации, достигается за счет оснащения пористого канала 14a на стороне воздушного электрода по варианту осуществления элементом канавообразного канала (из прессованного металлического листа) 14c. Предоставление элемента 14c канавообразного канала может выполняться в комбинации с формированием канавок в пористом канале 14avl на стороне воздушного электрода. Внутреннюю поверхность канавок можно обработать так, чтобы она имела гидрофильность.
Пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации отличается от пористого канала 14a на стороне воздушного электрода по варианту осуществления тем, что множество канавок 14agl сформировано на стороне напротив стороны электродного слоя 24 на стороне воздушного электрода, на которой пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода входит в контакт с электродным слоем 24 на стороне воздушного электрода. В этой конфигурации воздух подается в пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода через множество канавок 14agl так, что можно уменьшать градиент влажности от вышерасположенной области к нижерасположенной области. Таким образом, можно подавлять высушивание пористого канала 14avl на стороне воздушного электрода около отверстия 13a для подачи воздуха (на входной стороне) и заводнение в пористом канале 14avl на стороне воздушного электрода около канала 16a для выпуска воздуха (на выходной стороне).
Помимо этого секция пористого канала 14av2 на стороне воздушного электрода, показанная на фиг.32 рядом с отверстием 13a для подачи воздуха (входная сторона), обрабатывается так, чтобы иметь гидрофильность, и канал выполнен так, что воздух протекает вверх. Гидрофильная обработка приводит к эффекту сбора воды и подавления высушивания. Направленный вверх воздушный поток приводит к эффекту удержания воды в нижней низкой секции за счет силы тяжести.
В предшествующем уровне техники, показанном на фиг.5, канал выполнен так, что воздух протекает вверх, чтобы приводить к противотоку. Таким образом, если направление, в котором протекает топливный газ, инвертируется, направление воздушного канала также инвертируется. В варианте осуществления и модификациях топливный газ прямо и равномерно распределен по модулю 20 мембранного электрода, и принцип вышерасположенной и нижерасположенной областей, описанный выше, не используется в отношении модулей 20 мембранных электродов. Таким образом, воздушный канал может быть выполнен так, что воздух протекает вверх.
Фиг.34 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av3 на стороне воздушного электрода третьей модификации. Пористый канал 14av3 на стороне воздушного электрода третьей модификации отличается от пористого канала 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации тем, что секция пористого канала 14av3 на стороне воздушного электрода около канала 16a для выпуска воздуха (выходной стороне) имеет канавки 14agvl для размещения воды на стороне электродного слоя 24 на стороне воздушного электрода. Экспериментами, проводимыми авторами настоящего изобретения, подтверждено, что предпочтительно, чтобы ширина каждой канавки 14agvl для хранения воды составляла приблизительно 1 мм или более.
Канавки 14agvl для хранения воды могут проходить через (разделять), например, пористый канал 14av3 на стороне воздушного электрода. Помимо этого, как показано yy на фиг.35, сами канавки 14agvl для хранения воды могут быть разделены и могут быть выполнены так, чтобы их ширина и длина варьировались в зависимости от позиции.
Кроме того, в вышеописанном варианте осуществления и модификациях, топливный газ подается в модуль 20 мембранного электрода с практически однородным парциальным давлением водорода, и, следовательно, возникают проблемы, которые отличаются от проблем предшествующего уровня техники, касающиеся способа задания распределения реакции и распределения тепловыделения, соответствующего однородному распределению реакции, в дополнение к проблеме регулирования влаги.
Когда поток топливного газа и поток воздуха организуются с возможностью протекания в противоположных направлениях, как описано выше, также достигается эффект задания однородного распределения реакции, как можно видеть из уравнения Нернста (фиг.22), в дополнение к эффекту задания однородной влажности. В частности, область на стороне выпуска воздушного канала, в которой парциальное давление кислорода является низким, расположена напротив области на стороне впуска (фиг.9) канала для топливного газа, в которой парциальное давление водорода является высоким; с другой стороны, область на стороне впуска воздушного канала, в которой парциальное давление кислорода является высоким, расположена напротив области на стороне выпуска канала для топливного газа, в которой парциальное давление водорода является низким, так что можно осуществлять реакцию в модуле 20 мембранного электрода однородной.
Пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации, показанный на фиг.31, также приводит к эффекту уменьшения разности в парциальном давлении кислорода в подаваемом воздухе между вышерасположенной областью и нижерасположенной областью. Таким образом, пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода является преимущественным в том, что он может разрешать вышеописанную проблему. Тем не менее, в варианте осуществления и модификациях, допускается, чтобы воздух выпускался вместо топливного газа, и проблема состоит в компромиссе между мощностью подачи воздуха и униформизацией парциального давления подаваемого кислорода.
Помимо этого, поскольку то, как регулируется влага в воздушном канале, затрагивает канал для топливного газа через обратную диффузию воды, воздушный канал может быть сконструирован с учетом влияния на канал для топливного газа. В частности, в системе, в которой топливный газ не выпускается постоянно в ходе генерирования электричества, как описано выше, увлажнение топливного газа выполняется посредством воды, диффундируемой из воздушного канала, и, следовательно, такая конструкция является важной. В частности, предпочтительно, чтобы выпуск получаемой воды стимулировался, чтобы эффективно подавлять заводнение в электроде на стороне окислителя, или реализовывалась относительно однородная обратная диффузия к стороне канала для топливного газа. Такой эффект также достигается посредством следующей конфигурации, и следующая конфигурация может комбинироваться с вышеописанной конфигурацией.
В частности, многослойная структура, которая включает в себя двухслойную структуру водородного электрода 22v3 третьей модификации (фиг.27), может применяться к электродному слою 24 на стороне воздушного электрода. В третьей модификации слой газовой диффузии водородного электрода 22v3 имеет трехслойную структуру. Слой газовой диффузии выполнен так, чтобы в слое газовой диффузии из трех частей, чем ближе к мембране 23 электролита находится слой, тем выше гидрофобность материала для слоя или ниже гидрофильность материала для слоя. Также в случае воздушного канала, такая конфигурация является преимущественной в том, что получаемая вода, выпускаемая из мембраны 23 электролита, диффундирует, и достигается эффект подавления заводнения.
С целью принудительного диффундирования и выпуска получаемой воды таким образом, достаточно того, что слой газовой диффузии выполнен таким образом, что гидрофильность увеличивается (или гидрофобность понижается) с расстоянием от мембраны 23 электролита. Соответственно, слой газовой диффузии может быть однослойным пористым элементом, в котором гидрофильность и т.п. имеет градиент, или пористым элементом, состоящим из трех или более слоев. Следует отметить, что гидрофильность и гидрофобность могут задаваться в комбинации, и помимо этого плотность и т.п. дополнительно может варьироваться. Посредством совместного регулирования влаги в воздушном канале и влаги в канале для топливного газа можно достигать предпочтительной обратной диффузии и соответствующего регулирования влаги в канале для топливного газа.
Фиг.36 является пояснительной схемой, показывающей пластину 21v5 подачи топливного газа пятой модификации. В вышеописанном варианте осуществления и модификациях, когда пластина 21v5 подачи топливного газа добавлена, добавляется новый этап изготовления по размещению пластины 21v5 подачи топливного газа. Пластина 21v5 подачи топливного газа пятой модификации является такой, что краевые секции изогнуты с тем, чтобы упрощать расположение, когда размещается пластина 21v5 подачи топливного газа.
Фиг.37 является пояснительной схемой, показывающей пластину 21v6 подачи топливного газа шестой модификации. Шестая модификация выполнена следующим образом. В частности, электродный слой 22 на стороне водородного электрода имеет два базовых штифта 22refl и 22ref2 в канале; пластина 21v6 подачи топливного газа имеет посадочные отверстия 21refl и 21ref2 для позиционирования; и пористый канал 14hv6 на стороне водородного электрода имеет посадочные отверстия 14refl и 14ref2 для позиционирования.
Расположение двух базовых штифтов 22refl и 22ref2 в канале таким образом противоречит общеизвестному техническому факту на момент подачи данной заявки, т.е. знанию того, что базовые штифты должны быть расположены вне канала. Согласно общеизвестному техническому факту на момент подачи данной заявки базовые штифты располагаются вне канала, поскольку газ протекает через зазор между стенками посадочных отверстий и контактных штырьков. Тем не менее, несмотря на такой общеизвестный технический факт после рассмотрения данной конфигурации авторы настоящего изобретения обнаружили, что утечка не является очень проблематичной, поскольку она возникает между каналами для топливного газа. Как результат, уменьшение размера и веса достигается за счет исключения пространства для базовых штифтов вне канала.
Хотя некоторые варианты осуществления изобретения описаны выше, изобретение вообще не ограничено такими вариантами осуществления, и изобретение может быть реализовано в различных формах в пределах объема без отступления от сути изобретения. В частности, из составляющих элементов вышеописанного варианта осуществления любые элементы, отличные от элементов, описанных в независимых пунктах формулы изобретения, являются дополнительными элементами и могут исключаться при необходимости. Помимо этого, например, нижеописанные модификации также являются выполнимыми.
Изобретение дополнительно может включать в себя следующую конфигурацию. (1) Области, в которые топливный газ распределяется через пластину подачи топливного газа, могут быть взаимно разделены посредством разделительных стенок. (2) Электродный слой на стороне водородного электрода может иметь диффузионную структуру (радиальные канавки, сетчатые канавки или варьирование газопроницаемости), что упрощает диффундирование газа помимо пор вдоль плоскости пластины подачи топливного газа. (3) Электродный слой на стороне водородного электрода может иметь разделительные стенки, которые ограничивают поток топливного газа между областями, в которые топливный газ распределяется через поры. Тем не менее, нет необходимости задавать соотношение "один-к-одному" между каждой порой и соответствующим блоком. Блоки могут быть выполнены с возможностью иметь сотовую структуру. Размер каждого блока может варьироваться так, что объем топливного газа, подаваемого через поры на единицу площади, становится однородным в максимально возможной степени. Электродный слой на стороне водородного электрода может быть выполнен так, что пористость электродного слоя на стороне водородного электрода увеличивается к нижерасположенной области пористого канала 14 на стороне водородного электрода, в которую подача топливного газа, вероятнее всего, блокируется. (4) Пластина подачи топливного газа может быть выполнена так, что, по меньшей мере, в одной из стороны впуска или стороны выпуска канала в пластине подачи топливного газа накопление азота (порочный круг, показанный на фиг.8 и 9, например) подавляется через диффузию с использованием устройства промывки, такого как эжектор. (5) В системе топливных элементов канал подачи топливного газа может снабжаться секцией хранения, в которой хранятся газ азота и другие инертные жидкости. (6) При конструировании канала подачи топливного газа варьирование и регулирование сопротивления потоку в части канала, которое включает в себя регулирование пористости или числа канавок и регулирование (варьирование) ширины канавок или формирование компоновки и/или направления канала, может проводиться для того, чтобы реализовывать функцию, аналогичную функции подачи топливного газа, выполняемой посредством пластины подачи топливного газа. В частности, топливный газ может подаваться в нескольких различных направлениях (например, от периферийной к центральной секции) в канале подачи топливного газа. (7) В системе топливных элементов ограничение выхода топливного элемента во время пуска рамками заданного диапазона, которое включает в себя предотвращение выхода, может выполняться с тем, чтобы подавлять неожиданное уменьшение выхода. Такое ограничение выхода во время пуска способствует достижению равновесного состояния концентрации газа азота или способствует оптимизации парциального давления водорода в электродном слое на стороне водородного электрода за счет подавления потребления газа водорода. (8) Система топливных элементов может подавать топливный газ в топливный элемент, имеющий множество коллекторов подачи топливного газа. В этом случае расход и давление топливного газа, который подается в коллекторы, может регулироваться независимо для каждого коллектора, чтобы делать подачу топливного газа в электродный слой на стороне водородного электрода однородной. (9) В системе топливных элементов канал подачи топливного газа может снабжаться буферным резервуаром внутри или вне топливного элемента. Буферный резервуар может быть выполнен таким образом, что буферный резервуар соединен с каналом подачи топливного газа через клапан, клапан открывается во время пуска системы топливных элементов, чтобы размещать газ азота и т.д., накопленный за то время, когда работа остановлена, и клапан открывается во время остановки системы топливных элементов, чтобы выпускать хранящийся газ азота и т.д. (10) Вся поверхность пластины подачи топливного газа на стороне электродного слоя на стороне водородного электрода или стенки пор в пластине подачи топливного газа могут быть обработаны так, чтобы иметь гидрофобность. Помимо этого пластина подачи топливного газа может быть выполнена с возможностью иметь разность в гидрофильности и/или гидрофобности между обеими сторонами пластины подачи топливного газа. Предоставление гидрофильности и гидрофобности может осуществляться, например, посредством золочения или нанесения водоотталкивающего покрытия. (11) Пластина подачи топливного газа может иметь множество слоев. В случае структуры, имеющей множество слоев, пластина подачи топливного газа может быть выполнена так, что число сквозных отверстий меньше в слое ближе к стороне впуска и число сквозных отверстий больше в слое ближе к стороне выпуска.
Хотя в вышеописанном варианте осуществления поясняется топливный элемент с твердым полимерным электролитом, изобретение не ограничено этим, а может применяться к другим типам топливных элементов, таким как твердо-окисный топливный элемент, топливный элемент из расплавленного карбоната и топливный элемент на фосфорной кислоте. Тем не менее, авторы настоящего изобретения обнаружили, что когда изобретение применяется к топливному элементу с твердым полимерным электролитом, достигаются вышеописанные существенные результаты.
Хотя в вышеописанном варианте осуществления в качестве топливного газа используется чистый газ водорода, когда используется электролит, который является проницаемым для примесей, может использоваться, например, реформированный газ, который содержит такие примеси.